DE4327857A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus einer Vielzahl mit Abstand übereinander angeordneter, gleicher Trennwände, die jeweils aufrechtstehende Leitwände zur Bildung von gegenläufigen Strömungskanälen für gasförmi­ ge Medien und mit diesen zu temperierenden gasförmigen Medien sowie zur Abstandhaltung gegenüber benachbarten, hiermit verbundenen Trennwänden haben.

Bei zunehmenden Energiekosten und steigender Beachtung des Umweltschutzes gewinnt die Rückgewinnung von Abwärme zuneh­ mende Bedeutung.

Es gibt verschiedene Systeme von Wärmetauschern (Rekuperato­ ren), z. B. ein System gemäß der CS-AO 219 973/81 (Urheber­ schein). Es handelt sich dabei um einen Gegenstromwärme­ tauscher, der allerdings für die Belüftungstechnik wegen der sehr großen Druckunterschiede nicht verwendbar ist. Sein Wirkungsgrad von 55-65% entspricht demjenigen von Kreuz­ stromwärmetauschern.

Die Anordnung der Gegenstromkanäle bei dem bekannten System verhindern eine Turbulenzbildung, die eine wirksame Wärme­ rückgewinnung möglich machen könnte. Um Turbulenzen zu erzeugen, weisen die Strömungskanäle Querrippen auf, die zwar eine gewisse Turbulenz erzeugen, aber einen bedeutenden Druckverlust bewirken.

Damit wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich herabgesetzt. Die Strömungskanäle sind in weiten Bogen über die Trennwände verteilt, was zu einer laminaren Strömung, aber nicht zur für die Wärmerückgewinnung notwendigen Turbulenz führt. Die Herstellung der gebogenen Leitwände ist sehr aufwendig und teuer.

Im übrigen ist eine Abdichtung der jeweiligen Druckräume kaum wirksam herstellbar. Der bekannte Wärmetauscher kann daher nur begrenzt eingesetzt werden.

Bei der bekannten Ausführung ist nicht berücksichtigt, daß die gegenläufigen Strömungskanäle bei steigender Temperatur im Wärmetauscher ein zunehmendes Volumen des Strömungsme­ diums aufzunehmen haben. Vielmehr bewirken die Strömungska­ näle, daß die Strömungsquerschnitte am Ein- und Auslaß stets gleich groß sind. Das gleiche gilt für die nächstfolgende Lage der Trennwände. Dadurch kommt es zu vermeidbaren Verlusten an Wärmeenergie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß er eine höhere Leistung erzielt, indem die Strömungsbedin­ gungen auf die Erwärmung des Gases abgestimmt werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Durch die besondere Art der Strömungsführung, insbesondere die scharf­ kantigen Umlenkungen, wird ein mit nur geringen Verlusten behafteter Wärmeaustausch erzielt, der einer gemischten Gegenstrom/Kreuzstrom-Übertragung entspricht. Es ergibt sich dabei ein asymmetrischer Wärmetauscher.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht in den Merkmalen des Anspruches 2. Mittels der Längsrippen erfolgt eine von deren Querschnitt abhängige Querschnittsveränderung der Strömungs­ kanäle und der Strömungsgeschwindigkeiten, die der Volumen­ änderung infolge Erwärmung des durchgesetzten Gases ent­ spricht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den weiteren Unteransprüchen. Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung abgebildeten Ausführungsbeispie­ len näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Wärmetauscher mit abgenomme­ ner Deckplatte.

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2

Fig. 4 eine Trennwand mit durchgehenden Längsrippen in der ersten Hälfte der Strömungskanäle

Fig. 5 eine Trennwand mit sich verjüngenden Längsrippen

Fig. 6 zwei nebeneinander, um 180° gedrehte Trennwände und

Fig. 7 die Trennwände der Fig. 6 übereinander gesetzt.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen asymmetrischen Wärmetauscher mit abgehobener Deckplatte. Man erkennt eine quadratische Trennwand 1, die durch aufrechtstehende Leit­ wände 2 in eine Anzahl, hier vier Strömungskanäle 3, 4, 5 und 6 aufgeteilt ist. Die Leitwände 2 können spanlos herausge­ formt sein. Diese Strömungskanäle 3-6 sind parallel mehrfach rechtwinklig so umgelenkt, daß ihre Ein- und Ausströmseiten 7 bzw. 8 in der einen Hälfte der Trennwand 1 etwa fluchtend zueinander liegen.

Dabei sind die Strömungskanäle im übrigen über die andere Hälfte der Trennwand 1 verteilt und so ausgebildet, daß sie jeweils die gleiche Grundrißfläche haben. Parallel zu den Leitwänden 2 sind von der Einlaßseite 7 her Längsrippen 9 vorgesehen, die, wie Fig. 1 zeigt, beispielsweise nach der halben Kanallänge aufhören. Hierdurch wird der wirksame Querschnitt der Strömungskanäle 3-6 gemindert, wodurch sich bei gleichem Gasvolumen eine höhere Einlaßgeschwindigkeit C₁ als die Auslaßgeschwindigkeit C₂ ergibt. Umgekehrt ist der Strömungskanalquerschnitt F₁ an der Einlaßseite 7 kleiner als der Querschnitt F₂ an der Auslaßseite 8. Die Längsrippen 9 können auch Durchbrechungen 10 aufweisen (Fig. 1). Damit wird die Ausbildung einer Turbulenz unterstützt.

Schließlich können, wie Fig. 4 zeigt, die Längsrippen 9 z. B. bis zur halben Länge der Strömungskanäle 3-6 durchgehend ausgebildet sein oder, wie Fig. 5 zeigt, über die ganze oder einen Teil der Länge der Strömungskanäle 3-6 im Querschnitt abnehmen, so daß sich eine kontinuierliche Vergrößerung des Querschnittes der Strömungskanäle 3-6 ergibt.

Fig. 6 zeigt zwei quadratische Trennwände 1, 1′ nebeneinander, jeweils zueinander in der Ebene um 180° gedreht angeordnet. Bei der linken Trennwand 1 befinden sich die Einlaßseiten 7 und die Auslaßseiten 8 in der unteren Hälfte. Bei der rechten Trennwand 1′ befinden sich die Ein- und Auslaßseiten 7′ bzw. 8′ jeweils in der oberen Hälfte der Trennwand 1′. Setzt man die Trennwände 1 und 1′ in dieser Stellung aufeinander, so erhält man ein zweilagiges Paket, wie es Fig. 7 zeigt. Man kann erkennen, daß alle Strömungskanäle 3-6 und 3′-6′ übereinander gut verteilt zueinander angeordnet sind, so daß sich ein maximaler Wärmeaustausch ergibt.

Der so gebildete asymmetrische Wärmetauscher weist in jeder Lage einen Teil mit hoher Durchflußgeschwindigkeit C₁ am Einlaß 7 bzw. 7′ und einen Teil mit geringerer Durchflußge­ schwindigkeit C₂ an der Auslaßseite 8 bzw. 8′ auf. Dabei ist jeweils dem Einlaßteil 7 bzw. 7′ ein Auslaßteil 8′, 8 der nächsten Lage benachbart.

Der Mangel an Turbulenz in den bekannten Strömungskanälen wird hier durch die mehrfache scharfe rechtwinklige Umlen­ kung behoben. Durch diese Maßnahmen wird ein größerer Druckverlust vermieden. Weiterhin wird die Turbulenzbildung durch unterbrochene Längsrippen unterstützt.

Die rechtwinklige Umlenkung der Strömungskanäle 3-6, 3′-6′ ermöglicht eine preiswerte Fertigung der Werkzeuge für die Leitwände 2, 2′ und die Längsrippen 9, 9′ sowie eine sehr gute Ausnutzung der Fläche der Trennwände 1, 1′ für den Wärmeaus­ tausch. Dadurch, daß die Strömungskanäle 3-6, 3′-6′ die gleiche Grundfläche einnehmen, wird gleichzeitig ein gleich­ mäßig verteilter Wärmeaustausch erreicht.

Die asymmetrische Anordnung der Strömungskanäle 3-6, 3′-6′ führt dazu, daß beim Zusammenbau des Wärmetauschers die Oberkanten der Leitwände 2, 2′ und der Längsrippen 9, 9′ nicht in etwaige Rillen einer darüberliegenden Trennwand passen müssen und sich somit nur bei 90°-Kreuzungen treffen. Hierdurch werden die mechanische Festigkeit des Wärmetau­ schers und seine Dichtung verbessert. Man kann daher auch relativ dünnes Material z. B. Blech mit einer Wandstärke von 0,1-0,3 mm verwenden. Verwendet man stärkere Werkstoffe, z. B. Metall oder Keramik, so kann der Wärmetauscher ggf. ohne Klebung zusammengesetzt werden und ist auch für gegenüber einem Wärmetauscher aus Kunststoff erheblich höhere oder niedrigere Temperaturen geeignet. (Dies gilt auch für Kühlungsaufgaben).

Ein Wärmetauscher nach der Erfindung kann leicht in bestehende Anlagen eingebaut werden. Der Preis solcher Wärmetauscher ist nicht größer, eher geringer als bei Wärmetauschern nach dem Stand der Technik.

Claims (6)

1. Wärmetauscher, bestehend aus einer Vielzahl mit Abstand übereinander angeordneter, gleicher Trennwände, die jeweils aufrechtstehende Leitwände zur Bildung von gegenläufigen Strömungskanälen für gasförmige Medien und mit diesen zu temperierenden gasförmigen Medien sowie zur Abstandhaltung gegenüber benachbarten, hiermit verbunde­ nen Trennwänden haben, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennwände (1, 1′) abwechselnd in ihrer Ebene um jeweils 180° zueinander gedreht angeordnet sind,
daß jede Trennwand (1, 1′) in ihrer einen Hälfte Einlaß- und Auslaßseiten (7, 8; 7′, 8′) für die Strömungskanäle (3-6, 3′-6′) aufweist, wobei diese mehrfach um 90° umgelenkt sind, derart daß sie durch die andere Hälfte der Trennwand (1, 1′) geführt sind und
daß die Strömungskanäle (3-6, 3′-6′) so angeordnet sind, daß jeder Strömungskanal zwischen seinen Leitwänden (2, 2′) die gleiche Bodenfläche aufweist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Strömungskanal (3-6, 3′-6′) von der Einlaß­ seite (7, 7′) her mindestens eine den Querschnitt (F₂, F₁) des Strömungskanals (3-6, 3′-6′) vermindernde, parallele Längsrippe (9) hineinragt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen (9) nur über einen Teil der Länge jedes Strömungskanals (3-6, 3′-6) reichen.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsrippen (9) in Strömungsrichtung einen abnehmenden Querschnitt (F) haben.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen (9) kurze Unterbre­ chungen (10) aufweisen.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwand (2) des äußersten Strömungskanals (3, 3′) am Rande der Trennwand (1, 1′) neben der jeweiligen Ein- und Auslaßseiten (7, 8, 7′, 8′) schräg gestellt ist, derart, daß sie mit der entsprechen­ den Ein- und Auslaßseiten (7, 8, 7′, 8′) der darüber befindlichen Trennwand (1, 1′) einen keilförmigen Einlauf bildet.