DE3504614A1

DE3504614A1 - Austauschkoerper

Info

Publication number: DE3504614A1
Application number: DE19853504614
Authority: DE
Inventors: Per Lidingö Norbäck
Original assignee: Carl Munters AB
Current assignee: Carl Munters AB
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1985-02-11
Publication date: 1985-08-22
Also published as: SE8400302L; SE8400302D0; US4708832A; JPS60191189A; DE3504614C2; NL8500438A; AU3879085A

Description

AB CARL MUNTERS . ^:

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AUSTAUSCHERKÖRPER BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Austauscherkorper, beispielsweise für Wärmeaustausch zwischen zwei Medien, wie zwei Luftströmen, wobei der Austauscherkorper seinem Typ nach mehrschichtig mit zwischen den Schichten ausgebildeten Spalten ist, die von den be.iden Medien getrennt voneinander durchströmt werden und wobei der Wärmeaustausch durch die Schichtwände hindurch erfolgt.

Austauscherkorper dieser Art kommen beispielsweise für mittelbare, mit Verdunstung arbeitende Wärmeaustauscher zur Anwendung, vornehmlich für Wärmeaustausch zwischen zwei Luftströmen, wobei der eine Luftstrom dazu gebracht wird, durch eine Gruppe von Spalten zu strömen, während der andere Luftstrom dazu gebracht wird, durch eine andere Gruppe von Spalten zu strömen, die von den Spalten getrennt sind, durch die der erste Luftstrom hindurchgeht. Hierbei strömt die Luft in den beiden Gruppen entweder in Quer- oder in Gegenstrom zueinander. Bei bekannten Wärmeaustauschern dieser Art werden die Spalten beispielsweise dadurch gebildet, dass eine grosse r Anzahl ebener Platten parallel nebeneinander angebracht ist. Ein Nachteil * derartiger Wärmeaustauscher besteht jedoch darin, dass die Platten verhältnismässig dick gehalten werden müssen, damit sie während der Belastungen eben bleiben, die auf den Austauscherkorper einwirken, nämlich einerseits infolge des Eigengewichts des Körpers und andererseits infolge der Druckunterschiede, denen der Werkstoff der ebenen Platten während des Betriebs ausgesetzt wird. Dazu verteuern die dicken Platten die Herstellung des Austauscherkörpers und vergrössern sein Gewicht, und darüber hinaus verschlechtern sie die Wärmeübertragung durch die Schichtwände des Austauscherkörpers.

Um einen starren Austauscherkorper zu schaffen, der die Verwendung von dünneren Werkstoff ermöglicht, wodurchder Körper leichter und billiger und die Wärmeübertragung verbessert wird, ist es bekannt, als Schichtwerkstoff gefaltete oder gewellte Platten anzuwenden» die derart angeordnet sind, dass in benachbarten Schichten die Riefenkämme einander kreuzen, die sog. Kreuzwellen-Bauart. Diese Bauart wird dadurch sehr formfest, dass die gefalteten oder gewellten Schichten sich an den Kreuzungsstellen gegen-

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einander abstützen. Ein weiterer Vorteil der Kreuzwellungen besteht in dem stark erhöhten Wärmeübertragungsvermögen, das innerhalb derselben Aussenabmessungen des Austauscherkörpers zu Gebote steht. Ein Nachteil dieser Bauart ist jedoch, dass die Mitteldurchschnittsfläche aller Spalten gleich gross ist. Daher ist man bei der Grössenbemessung des Austauschers an eine bestimmte Durchflussfläche gebunden, was vom Gesichtspunkt des Druckgefälles und des Wirkungsgrads zu Schwierigkeiten führen kann. Ein wesentlicher Nachteil bei diesen beiden bekannten Bauarten liegt jedoch " in dem Umstand begründet, dass sie die Stärke des Energieflusses beidseitig der Trennwand zwischen den Luftströmen nicht berücksichtigen, wenn es sich um Verdunstung in dem einen Luftstrom handelt. Die Dampfbildungswärme in dem verdunsteten Wässer kann den Energiefluss wesentlich vergrössern; aber eine solche Vergrösserung erfordert eine starke Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche auf der trockenen Seite, um vollwirksam zu werden.

Da aber die Flächen auf beiden Seiten der Trennwand gleich gross sind, kann die Verdunstung in dem einen der Luftströme nicht den Gewinn an Energie erbringen, der sonst erreichbar wäre.

Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Austauscherkörper solcher Bauart zu schaffen, dass dünner Werkstoff anwendbar wird und der Austauscherkörper demzufolge billig in der Herstellung wird und zugleich den Ansprüchen auf gute Wärmeübertragung und günstige Strömungsverhältnisse vollständig genügt. Dieser Zweck wird dadurch erreicht, dass der Austauscherkörper gemäss der Erfindung die in den nachfolgenden Patentansprüchen angegebenen kennzeichnenden Eigenschaften erhalten hat. Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die beigefügten,zwei Ausführungsformen von Austauscherkörpern nach der Erfindung veranschaulichen Zeichnungen näiper beschrieben werden. Die Fig. 1 ist ein Schaubild eines solchen Austauscherkörpers. Die Fig. 2 zeigt einen Teilquerschnitt durch den Austauschkörper der Fig. 1. Die Fig. 3 zeigt schaubildlich eine abgewandelte Ausführungsform des Austauscherkörpers. Die Fig. 4 zeigt, teilweise in Schnitt, eine Seitenansicht des Austauscherkörpers der Fig. 3 in eingebautem Zustand.

Der in der Fig. 1 gezeigte Austauscherkörper soll nunmehr näher beschrieben werden, und zwar für Anwendung als mittelbarer, mit Verdunstung arbeitender Wärmeaustauscher für Wärmeübertragung zwischen einem lotrecht durch den Austauscherkörper strömenden Luftstrom und einem zu kühlenden Nutzluftstrom, der dem in Fig. 1 gezeigten Kindteil des Austauscherkörpers

zugeführt wird und diesen in der Querrichtung in Kanälen oder Spalten durchströmt, die von den Kanälen getrennt sind, durch die der lotrechte Luftstrom hindurchgeht. _,

Der Austauscherkörper ist gemäss der Erfindung aus einer Anzahl formfester Tafeln oder Mehrschichtelementen 10 aufgebaut, die, wie aus der Fig. 2 hervorgeht, aus zwei ebenen Blechen oder Lagen 12, 14 und zwischen diesen gelegenen Versteifungs- und Oberflächervergrösserungsgliedern, die von gefalteten oder gewellten Blechen 16 gebildet sind, zusammengesetzt ist. Die Tafeln 10 bilden die Spalten für die Nutzluft, die in dem Austauscherkörper gekühlt werden soll, und die Versteifungsglieder oder gefalteten Bleche 16 sind zwischen den Tafeln 10 so angeordnet, dass ihre Falten oder Wellungen in der Strömungsrichtung dieser Luft verlaufen. Die Versteifungsglieder 16 bestimmen also die Breite der Spalten in dem Austauscherkörper, durch welche die Nutzluft hindurchgeht.

Die Bleche 12, 14 und 16 sind aus dünnem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Metall, beispielsweise Aluminium, gefertigt und miteinander beispielsweise durch Erhitzung, Verleimung oder ein anderes Verbindungsverfahren zu dem in sich formstarren Mehrschichtelement 1.0 zusammengefügt. Eine gewünschte Anzahl derartiger Elemente 10 ist, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, miteinander über einem Zwischenraum verbunden, der von zwischen den Elementen 10 angebrachten Abstandhaltern 18 bestimmt ist. Die Abstandhalter 18 bestimmen gleichzeitig die breite der lotrecht in dem Austauscherkörper verlaufenden Spalten, durch die der zu kühlende Luftstrom hindurchgeht.

Um die Kühlwirkung zu steigern, werden die Wände in den Spalten 18 in an sich bekannter Weise feucht gehalten. Hierfür ist die den Spalten zugekehrte Oberfläche der Bleche 12, 14 mit einem Belag 20 eines Wasser absorbierenden und/oder saugenden Werkstoffs versehen. Während des Durchgangs der Kühlluft durch die Spalten 18 findet eine Verdunstung von Wasser zur Kühlluft statt, derart, dass eine intensive Überführung von Wärme ι von dieser. Nutzluft in den Spalten 10 zur Kühlluft in den Spalten 18 erhalten wird, wodurch die Temperatur der Nutzluft auf einen niedrigen Wert gesenkt wird. Die Wände werden normalerweise nur in dem für die Verdunstung erforderlichen Ausmass befeuchtet gehalten. Die Spalten, durch die die Kühlluft hindurchgeht, können wegen der durch die Verdunstung bewirkten Kühlwirkung erheblich schmäler gehalten werden als die von der Nutzluft

f.

durchstrichenen Spalten, was in einfacher Weise durch den Aufbau der Austauscherkörper gemäss der Erfindung ermöglicht wird, wo die Spalten zwischen den Tafeln oder Mehrschichtelementen 10 und die mithilfe der Abstandhalter 18 geschaffenen Spalten ganz unabhängig voneinander in jeder gewünschten Breite und/oder Weite ausgeführt werden können. In der Regel ist wegen der auf der Verdunstung beruhenden Wirkung die erforderliche Menge an Kühlluft kleiner als die zu kühlende Nutzluftmenge.

Die Flanschen der in den Mehrschichtelementen 10 enthaltenen Versteifungsglieder oder Wellungen 16 stellen eine grosse Wärmeübertragungsfläche dar, die von der vorbeiströmenden Nutzluft bestrichen wird. Deswegen ist es wichtig und auch vorteilhaft, so viel Wärmeübertragungswerkstoff wie möglich in dem Nutzluftkanal verzusehen, um einen Höchstwert für die Wärmeübertragung zu erzielen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Kämme der Falten oder Wellungen einen kleinen Innenwinkel von beispielsweise etwa 40° erhalten. Da man bei der Bauart gemäss der Erfindung sehr dünnen Werkstoff anwenden kann, führt eine derartige Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche nicht zu einer übermässigen Steigerung des Gewichts des Austauscherkörpers oder der Kosten für seine Herstellung. Wegen des Umstandes, dass die Wellungen 16 in der Strömungsrichtung der Luft verlaufen, werden auch die Strömungsverhältnisse nicht nachteilig beeinflusst, so dass auch kein übermässig hoher Druckabfall zu befürchten ist. Wie aus der Fig. hervorgeht, ist vorzugsweise der oberste Schenkel des letzten gefalteten Teils des Versteifungsgliedes 16 rechtwinklig zu den ebenen Blechen 12, abgebogen und verschliesst damit das Mehrschichtelement 10 an der Oberseite, derart, dass eine ebene Fläche den Oberteil des Austauscherkörpers abschliesst. Der Unterteil des Mehrschichtelements 10 ist vorzugsweise in gleicher Weise ausgeführt.

Auch wenn bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 die formfesten Tafeln 10 aus zwei ebenen Blechen 12, 14 und einem dazwischen eingelegten gefalteten oder gewellten Blech 16 gefertigt sind, können sie selbstverständlich auch aus mehreren ebenen Blechen oder Lagen 16 aufgebaut sein, um auf diese Weise die Weite oder die Starre des gewellten Teils und dadurch auch die Wärmeübergangsfläche zu vergrössern.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Austauscherkörper in derselben Weise wie in der Fig. 1 aus formfesten Tafeln oder Mehrschichtelementen 10' aufgebaut, die mit einem von den Abstandhaltern

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bestimmten Zwischenraum miteinander zusammengefügt sind. Jedoch stellt nur ein oberes, mit 22 bezeichnetes Teilstück des Austauscherkörpers einen Einlass für die durch den Austauscher hindurchgehenden Nutzluft dar, die deswegen, weil die gefalteten oder gewellten Versteifungsglieder oder -bleche 16 mit Falten versehen sind, die nach abwärts in dem Austauscherkörper abgewinkelt sind, in lotrechter Richtung durch diesen geführt wird. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, kann hierbei die Luft den beiden Stirnwandflächen des Austauscherkörpers zugeführt werden.

Die Fig. 4, die den Austauscherkörper der Fig. 3 in eingebautem Zustand /10 mit den Strömungsrichtungen für die den Wärmeaustauscher oder Austauscherkörper hindurchgehenden Medien eingezeichnet darstellt, macht deutlich, wie die zu kühlende, bei den Pfeilen 24, 26 an den beiden Stirnseiten des Austauscherkörpers eingeleitete Nutzluft den gefalteten Teilflächen abwärts in den Austauscherkörper folgt. Wasser, das von einem Sammeltrog 28 am unteren Ende des Austauscherkörpers mit Hilfe einer Pumpe 30 und eines mit Spritzdüsen 34 ausgerüsteten Rohrsystems durch den Austauscherkörper umgewälzt wird, strömt, wie in dem rechten Teil der Fig. 4 angedeutet, in der Form eines dünnen Films durch den Körper. Der Hauptteil der Nutzluft, die durch den Austauscherkörper hindurchgeströmt ist, wird, wie mit dem Pfeil 36 schematisch angegeben ist, von der unteren Endfläche des Körpers, die • mit einem Abstand oberhalb des Wassertrogs 28 angebracht ist, weggeleitet. Ein kleinerer Teil dieses Luftstroras wird als Kühlluftstrom aufwärts in die Wasserspalten abgeleitet, was schematisch durch den Pfeil 38 angegeben ist. Dieser Kühlluftstroni 38, der, wie oben beschrieben, die Nutzluft durch Verdampfung von Wasser von den Wänden oder Schichten 20 der Spalten kühlt, besteht somit aus bereits gekühlter Luft, die sich während des Hauptteils ihres Durchgangs durch den Austauscherkörper in Gegenstrom zur Nutzluft bewegt, was den Wärmeaustausch in dem Austauscherkörper beträchtlich verstärkt, so dass eine erheblich gesteigerte Kühlwirkung erhalten wird.

Der untere Teil des Austauscherkörpers, wie er in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, kann selbstverständlich gefaltete Bleche 16' mit abgewinkelten Teilstücken haben, die in derselben Weise wie im oberen Teil des Körpers ausgeführt sind, um die Nutzluft getrennt von dem abwärts strömenden Wasser wegzuleiten.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, bringt die Erfindung im Vergleich mit vorbekannten Austauscherkörpern eine Reihe von Vorteilen

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mit sich. Der Aufbau mit Mehrschichtelementen oder Tafeln 10, 10" aus dünnem Werkstoff, die dennoch formfest sind, ergibt eine billige und einfache Konstruktion, während gleichzeitig die gefalteten oder gewellten Versteifungsglieder oder Bleche 16, 16' dort eine grosse Wärmeübertragungsfläche ergeben, wo das gefaltete oder gewellte Blech Flanschen bildet und zweckmässig aus einem Werkstoff mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit, wie Metall, gefertigt ist. Innerhalb bestimmten Aussenabmessungen können die Nutzluftspalten eine Breite erhalten, die den Luftgeschwindigkeiten und Druckgefällen gut angepasst ist, während die Kühlluftspalten mithilfe der Zusammenbautechnik mit den Abstandhaltern 18 so schmal wie möglich gehalten werden können, ohne dass eine Überbrückung zwischen den beiden Seiten der Spalten stattfindet. Die Nutzluftspalten, die die Wellbleche 16, 16' enthalten, haben somit eine Breite von vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3-20 mm, insbesondere 5-10 mm, während die Kühlluftspalten eine Breite von 1/3 bis 2/3 oder gegebenenfalls etwas mehr von der Breite des Nutzluftspalts haben, jedoch breiter als 2,5 mm sein sollen. Die saugende Schicht hat eine Dicke im Bereich von 0,1 - 0,25 iran, und zwischen der Schicht und den ebenen Blechen 12, 14 kann eine gegen Korrosion schützende Haut • mit einer Stärke von ungefähr 50/ti vorgesehen sein, beispielsweise ein Kunstoffilm, vorzugsweise ein Polyäthylenfilm. Die Stärke der Bleche 12, 14, 16 liegt im Bereich von 0,5 - 0,25 mm, insbesondere wenn es sich um Bleche aus Metall, wie Aluminium, handelt.

Der neue Austauscherkörper verbindet also, wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, die Vorteile vorbekannter Bauarten mit den durch ebene oder gefaltete bzw. gewellte Schichten erzielbaren Vorteilen und beseitigt zugleich die einleitungsweise beschriebenen Nachteile.

Die Erfindung ist im übrigen nicht auf die gezeigten Ausführungsformen begrenzt, sondern lässt sich im weitesten Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrunde liegenden Leitgedankens abwandeln. So können, wie erwähnt, die Mehrschichtelemente oder Tafeln 10, 10' von mehreren ebenen Blechen und zwischenliegenden Wellblechen gebildet sein.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

I 1.ι Austauscherkörper, beispielsweise für Wärmeaustausch zwischen zwei Medien, insbesondere für mit Verdunstung arbeitende Kühlung eines Nutzluftstroras mittels eines Kühlluftstroms, wobei der Austauscherkörper seinem Typ nach mehrschichtig mit zwischen den Schichten ausgebildeten Spalten ist, die von den beiden Medien getrennt voneinander durchströmt werden, wobei der Wärmeaustausch durch die Schichtwände hindurch erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten formfeste Tafeln (10, 10 ) enthalten, die aus ebenen, parallel nahe beieinander angeordneten Platten (12, Ii) zusammengesetzt sind, wobei zwischen den ebenen Platten mit Flanschen versehene Versteifungsglieder (16, 16*) vorgesehen sind, die den Abstand zwischen den ebenen Platten bestimmen und in der Strömungsrichtung des Nutzluftstroms verlaufen und einen Durchströmspalt für dieses Medium bilden, während die formfesten Tafeln zu einem Austauscherkörper mithilfe gerader, langgestreckter Abstandhalteglieder (18) zusammengesetzt sind, die in der Strömungsrichtung des Kühlluftstroms verlaufen und einen Durchströmspalt für dieses Medium zwischen den Tafeln (10, 10 ) bilden. J
2. Austauscherkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Versteifungsglieder (16) enthaltenden Spalten breiter ausgeführt sind als die die Abstandehalteglieder (18) enthaltenden Spalten.
3. Austauscherkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsglieder als gefaltete odet gewellte Bleche (16) aus einem dünnen Werkstoff mit gutem Wärmeleitvermögen, wie Metall, z.B. Aluminium, ausgeführt sind.
4. Austauscherkörper nach Anspruch 1 für Anwendung als mittelbarer, mit Verdunstung arbeitender Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die die Versteifungsglieder enthaltenden Spalten dafür vorgesehen sind_tvon Nutzluft durchstrichen zu werden, und breiter als die rechtwinklig dazu verlaufenden, die Abstandhalter (18) enthaltenden Spalten und dafür vorgesehen sind, von der Kühlluft durchstrichen zu werden, wobei die Abstandhalter zur Hauptsache in lotrechter Richtung verlaufen.
5. Austauscherkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände in den von den Abstandhaltern (18) bestimmten Spalten mit einer Schicht von Wasser absorbierendem und/oder saugendem Werkstoff versehen sind.
6. Austauscherkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gefaltete Blech (16, 16*) offene Falten mit einem Scheitelwinkel von zwischen 35°-45°, vorzugsweise etwa 40°, aufweist.
7. Austauscherkörper nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch

gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtungen des ersten / und des zweiten Mediums in dem grösserenTeil der Länge des Austauscherkörpers zusammenfallen, wobei die Versteifungsglieder (16*) an einem Endteil des Austauscherkörpers von dieser Strömungsrichtung abgewinkelt sind, um einen Einlassabschnitt für das erstgenannte Medium zu bilden, der im wesentlichen rechtwinklig zu dieser Strömungsrichtung gerichtet ist.
8. Austauscherkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine obere, mit Mitteln zur Wasser-

r führung (32, 34) versehene Fläche, sowie zwei Einlassabschnitte (22)

aufweist, die in den oberen Teil von zwei rechtwinklig zu der oberen Fläche verlaufende Stirnflächen des Austauscherkörpers für Zuführung von Nutzluft in Gegenstrom zu dem abwärts strömenden Wasser münden, sowie an einer unteren Endfläche des Austauscherkörpers Einrichtungen zur Ableitung eines in Gegenstrom zur Nutzluft gerichteten Kühlluftstroras (38),
9. Austauscherkörper nach einem des Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die formfesten Tafeln aus mehreren ebenen Blechen (12, 14) mit zwischenliegenden Versteifungsgliedern (16, 16*) aufgebaut sind.
10. Austauscherkörper nach einem des Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Versteifungsgliedeff (16, 16 ) im Bereich 3-20 mm, vorzugsweise 5-10 mm, liegt, während die Breite der Abstandhalteglieder (18) in der Grössenordnung von 1/3 bis 2/3 und möglicherweise etwas mehr der Breite der Versteifungsglieder liegt, jedoch mindestens etwa 2,5 mm beträgt.