DE4023857B4

DE4023857B4 - Gas/Gas-Wärmeaustauscher mit Zwischen-Wärmeträgermedium für gegensinnig tangierende Gasströme

Info

Publication number: DE4023857B4
Application number: DE19904023857
Authority: DE
Inventors: Heinz Schilling; Michael Schilling
Original assignee: Heinz Schilling KG
Current assignee: Heinz Schilling KG
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2010-07-28
Also published as: DE4023857A1

Abstract

Gas/Gas-Wärmeaustauscher mit Zwischen-Wärmeträgermedium, für gegensinnig tangierende Gasströme, der parallel zur Richtung der Gasströmung in stapelbare Module aufgeteilt ist, welche jeweils in beide Gasströme hineinragen, wobei jedes Modul aus einer Vielzahl von querangeströmten Rohren (1) mit aufgebrachten, aus einem Stück, in Richtung der Gasströmung durchgehenden Wärmeleitlamellen (2) besteht und die Rohre so verschaltet sind, dass das flüssige Zwischen-Wärmeträgermedium (3) wechselweise die beiden Gasströme kreuzend, entgegen dem wärmeren Gas (4), in Richtung Gaseintritt (5) des wärmeren Gases, das Modul durchströmt, wobei das Zwischen-Wärmeträgermedium (3) jeweils thermisch oszillierend erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischen-Wärmeträgermedium am Gaseintritt (5) des wärmeren Gases die Hauptströmungsrichtung umkehrt, innerhalb demselben oder in einem benachbarten Modul wechselweise die beiden Gasströme kreuzend, entgegen dem kälteren Gas (6), in Richtung Gaseintritt (7) des kälteren Gases, das Modul durchströmt, wobei das Zwischen-Wärmeträgermedium (3) thermisch oszillierend abgekühlt wird, oder bei Zwischen-Wärmeträgermedium-Eintritt (8) an der Gaseintrittsseite (5) des wärmeren Gases (4) umgekehrt thermisch...

Description

Die Erfindung betrifft einen Gas/Gas-Wärmeaustauscher für gegensinnig tangierende Gasströme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik ist, dass die Wärmeübertragung zwischen gegensinnig tangierenden Gasströmen mittels rotierender Speichermasse möglich ist. Dabei wird die Speichermasse abwechselnd von einem warmen und einem kalten Gasstrom durchströmt, wobei kalte Speichermasse im warmen Gasstrom Wärme aufnimmt und warme Speichermasse im kalten Gasstrom Wärme abgibt. Die Speichermasse besteht dabei aus diversen wärmeleitenden Materialien mit hygroskopischer und nichthygroskopischer Oberfläche. Das sogenannte "Wärmerad" wird mit mittels Motor zur Rotation gebracht.

Weiterhin ist bekannt, dass die Wärme über sogenannte Wärmerohr-Wärmeaustauscher übertragen werden kann. Dabei wird in den evakuierten Rippenrohren ein Medium, meist ein Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoff, bei konstanter Temperatur vom wärmeren Gas verdampft und vom kälteren Gas kondensiert. Das Kondensat wird durch Schwerkraft oder in porösem Wandmaterial der Verdampferseite wieder zugeführt. Durch Einstellen des Unterdruckes in den Rohren wird die Verdampf- und Kondensationstemperatur festgelegt, wodurch jedes Rohr ein abgeschlossenes System ist, welches in dem vorbestimmten Temperaturbereich arbeitet.

Die Wärme kann auch mit einem Kreislauf-Verbund-System mit je einem Wärmeaustauscher in jedem Gasstrom übertragen werden.

Dabei wird in einem Gasstrom das Zwischen-Wärmeträgermedium erwärmt bzw. abgekühlt und im anderen Gasstrom umgekehrt abgekühlt bzw. erwärmt. Das Zwischen-Wärmeträgermedium wird mit einer Umwälzpumpe durch die beiden Wärmeaustauscher transportiert.

Eine weitere Möglichkeit die Wärme zwischen tangierenden Gasströmen zu übertragen besteht mit einem Kapillarventilator.

Der Stand der Technik ist z. B. in DE-Literatur dokumentiert bei "Recknagel, Sprenger, Hönmann; Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 90/91; Oldenbourg Verlag München; Seiten 1205 ff.

Die bisherigen Lösungen haben jede für sich unterschiedliche Nachteile, die spezifisch sind. Bei dem Wärmeaustauscher mit der rotierenden Speichermasse besteht, vermehrt bei höheren Temperatur-Austauschgraden mit hohen Drehzahlen, die Möglichkeit, dass gewisse Mengen des einen Gasstromes durch Mitrotation in den anderen Gasstrom gelangen. Eine absolute Trennung der Gasströme ist praktisch nicht möglich.

Dies wirkt sich besonders bei Fortluft- und Außen-luftanlagen zur Gebäudeklimatisierung in Krankenhäusern, Chemiebetrieben und Schwimmbädern aus. Bei mehr oder weniger mit Feuchte, Stäuben, Gerüchen, Schadgasen und Krankheitskeimen belasteter Abluft/Fortluft wird durch den, durch die Mitrotation hervorgerufenen, zu berücksichtigenden Umluftstrom, sowie durch Ablagerungen auf der Speichermasse diese Belastungen an die Außen- und Zuluft übertragen, wodurch die Luftqualität erheblich gemindert wird, oder aber es müssen Filteranlagen mit qualitativ hochwertigem Filtermedium zusätzlich eingesetzt werden, wodurch sich der Luftdruckverlust erhöht und damit die Ventilatormehrleistung und der höhere Primär-Energieaufwand die Wärmeübertragungs-Effizienz erheblich mindert.

Ebenso ungeeignet sind diese Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung bei nuklear und mikrobiologisch kontaminierten und toxischen Gasen.

Des Weiteren ist bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen den Gasströmen die Gefahr des Verzugs durch unterschiedlich stark ausgedehntes Speichermedium zu sehen, zudem kommen nachteilige Eigenschaften im Brandfall. Dadurch wird die Betriebssicherheit der Gesamt-Anlage gemindert.

Um für den Gasdurchgang übliche Wärmeaustauscher-Anströmgeschwindigkeit von ca. 2-3 m/s zu erreichen, muss die Gehäuse-Querschittsfläche solcher Wärmeaustauscher durchweg ca. 30% größer sein als bei den anderen bisher bekannten Wärmeaustauschern.

Zur Nacherwärmung oder -kühlung muss stets ein weiterer Wärmeaustauscher im Gasstrom eingebaut werden, der zusätzlichen Druckverlust verursacht und somit mehr Ventilatorleistung und mehr Primärenergie benötigt.

Bei den Wärmerohr-Wärmeaustauschern werden in den meisten Fällen Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoffe eingesetzt Diese FCKWs gefährden den notwendigen Ozonschutzmantel der Erde, da diese während der Lebensdauer von ca. 8-10 Jahren auf Grund von Undichtigkeiten der Rohre in die Umgebungsluft gelangen. Der Temperatur-Austauschgrad ist mit maximal 50-60% nicht dazu geeignet, geringste Temperaturdifferenzen zum Heizen und Kühlen zu Nutzen.

Da in jedem Rohr ein bestimmter Druck eingestellt wird, arbeiten diese Systeme nur optimal bei der zum eingestellten Druck gehörenden Verdampfertemperatur. Eine Optimierungsmöglichkeit bei Teillast oder Temperaturverschiebung ist kaum praktikabel oder aber gar nicht möglich. Auf Grund dessen ist es unumgänglich, dass eine Luftumgehung des Wärmeaustauschers einzubauen, da sonst unerwünschte Übertemperaturen auftreten können.

Das Kreislauf-Verbund-System ist in erster Linie für Wärmeübertragungsfälle für auseinanderliegende Luftströme konzipiert und ist dazu mehr oder weniger gut geeignet. In allen Fällen, in denen die Zusammenführung von Ab-, Fort-, Außen- und Zuluft an einem Punkt im Gebäude keine zusätzlichen Baumaßnahmen, höhere Investitionen oder höhere Druckverluste verursachen sollten oder die Luftzusammenführung bereits vorhanden ist, z. B. bei Sanierungen, kann der eigentliche Vorteil, Wärme über weite Distanzen wirtschaftlich zu übertragen, nicht genutzt werden.

Die FR 2 466 736 zeigt weiterhin eine Wärmetauscheranordnung mit gleich- oder gegensinnig tangierenden Gasströmen, die eine Vielzahl querangeströmte Rohre aufweist, so dass ein Zwischen-Wärmeträgermedium wechselweise beide Gasströme kreuzt. Innerhalb der Wärmetauscheranordnung behält das Zwischen-Wärmeträgermedium seine Hauptströmungsrichtung bei und wird von Austritt zum Eintritt mittels einer externen Verrohrung zurückgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, für gegensinnig tangierende Gasströme, bei der die Zusammenführung der Gasströme zu einem Punkt im Gebäude vorgesehen oder vorhanden ist, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, welcher geeignet ist, die rechteckige Anströmfläche zu 100% zu nutzen und eine absolute Trennung der Gasströme gewährleistet, Wärme zwischen schadstoffbelasteten und unbelasteten Gas zu übertragen und konstruktiv umluftfreie Wärmeübertragung gewährleistet, der bei einfachster Bauart jeden gewünschten Austauschgrad zwischen 50-80% über Änderung der Austauscherlänge bei geringstem Primär-Energieaufwand ermöglicht, hohe Betriebssicherheit gewährleistet, einer einfachen Planung und Montage bedarf, FCKW-frei arbeitet und damit insgesamt die möglicherweise, die durch Zusatzinvestitionen und hohe Betriebskosten entstehenden, nachteiligen Auswirkungen von gegensinnig tangierenden Gasströmen kompensiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merlmale des Patentansprüchs 1 gelöst.

Dabei besteht der Gesamt-Wärmeaustauscher (5a-c) erfindungsgemäß aus stapelfähigen Modulen (1-4), wobei jedes Modul in sich eine voll funktionsfähige Einheit darstellt und jeweils in beide Gasströme (4, 6) hineinragt. Diese Module bestehen aus einer Vielzahl von querangeströmten Rohren (1), vornehmlich aus gutleitendem Material wie z. B. Kupfer gefertigt, auf denen Wärmeleitlamellen (2), aus gutleitendem Material wie Kupfer oder Aluminium, aufgebracht sind. Die Wärmeleitlamellen sind aus einem Stück und in Richtung der Gasströmung durchgehend. Die Module sind luftseitig durch Trennplatten (11) gegeneinander abgeschottet. Das Zwischen-Wärmeträgermedium (3), insbesondere Wasser, Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch oder Thermoöl, durchströmt in den Rohren das Modul, wobei die Gasströme wechselweise gekreuzt werden und die Wärme einerseits im Gegenstrom andererseits im Gleichstrom austauscht. Dabei wird das Zwischen-Wärmeträgermedium thermisch oszillierend erwärmt, wenn es an der Gaseintrittsseite (7) des kälteren Gases (6) in das Modul eintritt oder thermisch oszillierend abgekühlt, wenn das Medium an der Gaseintrittsseite (5) des wärmeren Gases (4) in das Modul eintritt.
Thermisch oszillierend bedeutet, daß das Zwischen-Wärmeträgermedium bei jedem Kreuzen der Gasströme erwärmt und abgekühlt werden, jedoch sich das Medium insgesamt erwärmt bzw. abkühlt.
Hat das Zwischen-Wärmeträgermedium das Modul einmal durchströmt, kann es, um wieder an seine Eintrittsseite zu gelangen, durch dasselbe (5b, c) aber auch durch ein benachbartes Modul (5a) zurückströmen. Strömt das Zwischen-Wärmeträgermedium in einem benachbarten Modul zurück, so bilden jeweils zwei Module eine funktionsfähige Einheit. Sämtliche Module können parallel (5a, b) über Verteiler (14) und Sammler (15) aber auch in Reihe (5a) geschaltet werden. Bei Parallelschaltung sind die Module mit lösbaren Absperrvorrichtungen (17) an Verteiler und Sammler und bei Reihenschaltung miteinander mit lösbaren Verbindungen (18) hydraulisch gekoppelt.
Zum Transport des Zwischen-Wärmeträgermediums wird bei Parallelbetrieb zwischen Sammler und Verteiler, bei Reihenschaltung außerhalb des Moduls zwischen Moduleintritt des ersten Moduls und Modulaustritt des letzten Moduls eine Umwälzpumpe (16) geschaltet.
Um je nach Anforderung den Ausgangs-Wirkungsgrad zu erhöhen, können innerhalb und außerhalb der Module die Rohre derart verspringen (9) und verschaltet (9) werden, dass bei jeder Kreuzung die Wärme im Gegenstromprinzip ausgetauscht wird. Durch das wechselnde Aufwärmen und Abkühlen, das thermische Oszillieren, wird die Wärme ausgetauscht.
Mit Erhöhung der Rohranzahl kann der Ausgangs-Wirkungsgrad ebenfalls gesteigert werden.
Um eine absolute stoffliche Trennung der Gasströme zu gewährleisten, befindet sich in der Mitte des Moduls, parallel zur Richtung der Gasströmung eine Trenn- und Dichtungszone (10).
Dadurch kann auch Wärme zwischen Gasen ausgetauscht werden, wovon ein Gas nuklear oder mikrobiologisch kontaminiert oder toxisch ist und das andere Gas davon nichts aufnehmen darf. Ebenso bei der Luftaufbereitung in Klimaanlagen gewährleistet die Dichtung, dass Feuchte z. B. im Schwimmbad, Stäube z. B. Asbestverarbeitung, Gerüche z. B. Küchenabluft, Schadgase z. B. CO2, Lösungsmittel und Krankheitskeime z. B. in Krankenhäusern nicht in die Außen- oder Zuluft gelangt, wodurch die Qualität der Zuluft nicht gemindert wird und die entsprechende Frischluftwirkung erzielt.
Da in vielen Fällen über die Lüftungsanlage Kühl- und Wärmelasten zu decken sind, ist es von Vorteil, wenn die ganze thermische Konditionierung in einem Wärmeaustauscher erfolgt. Zu diesen Zwecken kann vor oder hinter dem eigentlichen Wärme- oder Kälterückgewinnungsteil ein zusätzlicher Kreislauf (12a-d) innerhalb der einteiligen Wärmeleitlamellen integriert sein. Durch diesen zusätzlichen Kreislauf kann dann ein Zwischen-Wärmeträgermedium (13a-d) mit Kühl- oder Heizcharakter strömen.
Die Auslegung erfolgt nach der geforderten Wärmeübertragungsleistung, der gegebenen Geometrie der Einbausituation und nach der Soll-Anströmgeschwindigkeit von ca. 2-3 m/s. Die Regelung erfolgt über Beeinflußung der Medienmenge z. B. über eine einfache Ansteuerung der Umwälzpumpe.
Die Front- (19a) und Rückdeckbleche (19b) sind umgekanntet, so dass daran die Gaskänale angeschlossen werden können.
Die nachteiligen Auswirkungen von tangierenden Gastströmen kann bei vorhandenen Zusammenführungen der Gasströme durch den Einbau des geschaffenen Wärmeaustauschers und den damit erzielten Vorteilen kompensiert werden. Insbesondere bei Sanierungen von bestehenden Anlagen mit gegensinnig tangierenden Gasströmen stellt der geschaffene Wärmeaustauscher eine echte Alternative zu den bisher bekannten Systemen dar, da die vorhandenen Gaskanäle weiterverwendet werden können.

Claims

Gas/Gas-Wärmeaustauscher mit Zwischen-Wärmeträgermedium, für gegensinnig tangierende Gasströme, der parallel zur Richtung der Gasströmung in stapelbare Module aufgeteilt ist, welche jeweils in beide Gasströme hineinragen, wobei jedes Modul aus einer Vielzahl von querangeströmten Rohren (1) mit aufgebrachten, aus einem Stück, in Richtung der Gasströmung durchgehenden Wärmeleitlamellen (2) besteht und die Rohre so verschaltet sind, dass das flüssige Zwischen-Wärmeträgermedium (3) wechselweise die beiden Gasströme kreuzend, entgegen dem wärmeren Gas (4), in Richtung Gaseintritt (5) des wärmeren Gases, das Modul durchströmt, wobei das Zwischen-Wärmeträgermedium (3) jeweils thermisch oszillierend erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischen-Wärmeträgermedium am Gaseintritt (5) des wärmeren Gases die Hauptströmungsrichtung umkehrt, innerhalb demselben oder in einem benachbarten Modul wechselweise die beiden Gasströme kreuzend, entgegen dem kälteren Gas (6), in Richtung Gaseintritt (7) des kälteren Gases, das Modul durchströmt, wobei das Zwischen-Wärmeträgermedium (3) thermisch oszillierend abgekühlt wird, oder bei Zwischen-Wärmeträgermedium-Eintritt (8) an der Gaseintrittsseite (5) des wärmeren Gases (4) umgekehrt thermisch oszillierend erwärmt bzw. abgekühlt wird.
Gas/Gas-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (1) innerhalb und außerhalb des Modules derart verspringen (9) und verschaltet (9) sind, so dass das Zwischen-Wärmeträgermedium (3) in beiden Gasströmen gleichzeitig ohne Gleichstromanteile in reinem Kreuz-Gegenstromprinzip die Wärme austauscht.
Gas/Gas-Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul in der Mitte eine Trenn- und Dichtungszone (10) zur absoluten Trennung und Abdichtung der Gasströme gegeneinander aufweist.
Gas/Gas-Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Module durch Trennplatten (11) luftseitig gegeneinander abgeschottet sind.
Gas/Gas-Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Module für weitere Wärmebehandlungen der Gasströme zusätzliche Zwischen-Wärmeträgermedium-Kreisläufe (12a-d) innerhalb den aus einem Stück in Richtung der Gasströmung durchgehenden Wärmeleitlamellen (2) integriert sind.
Gas/Gas-Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Module bei Parallelschaltung mit lösbaren Absperrvorrichtungen (17) mit den Verteilern (14) und Sammlern (15) und bei Modulreihenschaltung die Module untereinander mit lösbaren Verbindungen (18) hydraulisch gekoppelt sind.