DE4340849C2 - Plattenwärmeaustauscher in Modulbauweise zum rekuperativen Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip zwischen gasförmigen Medien - Google Patents
Plattenwärmeaustauscher in Modulbauweise zum rekuperativen Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip zwischen gasförmigen MedienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher in Modulbauweise
zum rekuperativen Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip zwischen gasför
migen Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Nach dem Stand der Technik sind Plattenwärmeaustauscher für gasförmige
Medien bekannt, z. B. DE 27 06 090 A1, die in der Regel aus vorgefertigten
Platten, Profilen und Rahmenbauteilen bestehen, welche zum Gesamtplatten
wärmeaustauscher verklebt, verpreßt, verschweißt oder verlötet sind.
Fertigungs- und Herstellungsmethode ist zwar rationell, hat jedoch den
entscheidenen Nachteil, daß diese Plattenwärmeaustauscher zu Reinigungs
zwecke nicht auseinandernehmbar sind.
Soll der Plattenwärmeaustauscher im Gegenstromprinzip arbeiten, wird
zum Anschluß der bisher bekannten Plattenwärmeaustauscher an das Luft
kanalsystem je Medienstrom mindestens eine Luftumlenkung oder für
einen Medienstrom mindestens zwei Luftumlenkungen, wie dies nachteili
gerweise in der DE 27 06 090 A1 ausgeführt ist, erforderlich.
Eine Ausführung ohne Luftumlenkung ist bekannt (Wärmerückgewinnung in
lüftungstechnische Anlagen, H. Jüttemann, C.F. Müller-Verlag, Karlsruhe,
1977, S. 111), allerdings ist die Wärmeaustauscherfläche zu Reinigungs
zwecken nicht von allen Seiten frei einseh- und kontrollierbar.
Bei den verwendeten Trennflächenmaterial werden für hohe Austauschgrade
im Gegenstromprinzip Reaktionslängen von bis zu 3 m erforderlich. Da
die Plattenwärmeaustauscher nicht auseinandernehmbar sind, müßte eine
Reinigung von Seiten der Kanalanschlüsse erfolgen. Durch Luftumlenkun
gen und durch hohe Reaktionslängen wird jedoch eine notwendige Reini
gung erschwert, erfolgt nur unzureichend oder ist überhaupt nicht
möglich. Bei einer Reaktionslänge von 3 m ist eine Reinigung auch ohne
Luftumlenkung erschwert.
Dadurch ist der Einsatz in Gebäuden mit erhöhten Reinheitsanforderun
gen wie z. B. in Krankenhäuser aber auch zur Wohnungsbe- und -entlüftung
hygienisch bedenklich.
Bei betriebsbeeinträchtigenden Verschmutzungen mußte der Wärmeaustau
scher bisher komplett erneuert werden.
Um gasdichte Plattenwärmeaustauscher zu erhalten, müssen die Trennwände
verlötet oder verschweißt werden, was einerseits eine zum Korrosions
schutz aufgebrachte Lackbeschichtung beschädigen kann und andererseits
den Herstellungsaufwand erheblich vergrößert.
Eine andere Möglichkeit die Gasdichtheit herzustellen, wäre durch zwei-
oder mehrteilige Dichtungen gegeben, wie sie aus der GB 2 092 241 bekannt
sind. Allerdings weist diese Möglichkeit keine Lösung auf, wie damit
gleichzeitig der notwendige Abstand erstellt werden kann.
Bei Plattenwärmeaustauschern im Gegenstromprinzip und hohen Temperatur-
Austauschgraden kommt es beim Einsatz als Wärmerückgewinner in Lüf
tungsanlagen auf der Fortluftseite zur Kondensation der Luftfeuchte.
Bei Außenlufttemperaturen unter 0°C besteht dann die Gefahr zur Kon
densatvereisung. Durch diese Vereisung lagert sich das gefrorene Kon
densat so lange an die Trennflächen an, bis der Luftspalt "zugewachsen"
ist. Als Abhilfe sind vor dem Wärmerückgewinner in der Außenluft Vorer
wärmer und teilweise elektrisch beheizte Abtauautomatiken in der Fort
luft eingesetzt worden, was einen zusätzlichen energetischen aber auch
regelungstechnischen Mehraufwand erfordert. Eine andere Möglichkeit
sieht vor, den Temperatur-Austauschgrad zu begrenzen oder einen Teil
der Außenluft am Wärmeaustauscher vorbeizuführen, was energetisch das
selbe darstellt. Trotz des nur geringfügig kleineren Strömungsdruckver
lustes bleibt der Jahresrückgewinn viel geringer und für die Nacherwär
mung muß entweder ein höheres Temperaturniveau oder mehr Wärmeaustau
scherfläche angesetzt werden, so daß insgesamt die Effizienz gering
bleibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hocheffizienten
vereisungssicheren und bei Bedarf z. B. zur Reinigung jederzeit zerleg
baren und immer wieder verwendbaren Plattenwärmeaustauscher für gasför
mige Medien zu schaffen, der mit einfachen Produktionstechniken her
stellbar ist.
Der Anschluß des Plattenwärmeaustauschers an das Lüftungskanalsystem
soll ohne Luftumlenkungen erfolgen, damit auch im Einbauzustand eine
Reinigung erfolgen kann.
Die Beschaffenheit der Trennflächen sollen nach den Eigenschaften der
Medienströme separat ausgewählt und angepaßt werden können. Die Länge
des Plattenwärmaustauschers in Luftrichtung und der Abstand der Trenn
flächen sollte frei wählbar sein, so daß jeder geforderte Temperatur-
Austauschgrad bei geringem luftseitigen Druckverlust erreichbar ist.
Mit dem Plattenwärmeaustauscher soll Wärme auch zwischen Medienströmen
unterschiedlicher Betriebsdrücke übertragen werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent
anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Aufteilung des Plattenwärmeaustauschers (Fig. 5, 6) in stapel
bare, zerlegbare und wieder zusammenfügbare Trennflächenmodule
(Fig. 1, 2, 3) kann der Plattenwärmeaustauscher zu Reinigungszwecken
jederzeit auseinandergenommen werden. Nach Lösen der Verpressung können
die Abschlußplatten (6) abgenommen werden und der Plattenwärmeaustau
scher kann zerlegt werden. Mit geeigneten Mitteln und Verfahren können
die Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) komplett gereinigt werden. Danach
können die Trennflächenmodule wieder gestapelt und verpreßt wenden und
sind dadurch immer wieder verwendbar.
Durch den entgegengesetzten Anschluß der Medienströme (8a, 8b, 8c) an
den Plattenwärmeaustauschers wird eine Gegenstromführung ermöglicht.
Durch die Möglichkeit, den Plattenwärmeaustauscher jederzeit zu zerle
gen und wieder zusammenzufügen, kann die Länge der Trennflächenmodule
freigewählt werden, so daß durch das Verhältnis von Länge zu Breite der
Wärmeaustausch im Gegenstrom erfolgt. Der damit erreichbare hohe Tempe
ratur-Austauschgrad hat Auswirkungen auf die Effizienz.
Durch die Anordnung der Dichtflächen (2) im Randbereich und durch das
wechselweise Stapeln der Normal- (1) und der Spiegelausführungen (5)
der Trennflächenmodule (Fig. 1, 3) bilden sich automatisch die An-
(3a) und Abströmöffnungen (3b) der Medienströme aus. Der Plattenwärme
austauscher kann nun ohne Luftumlenkung mittels üblicher Flansche (9)
an das Lüftungskanalsystem angeschlossen werden. Werden vor und hinter
dem Plattenwärmeaustauscher Revisionsöffnungen vorgesehen, kann entge
gen der Luftrichtung mit Druckluft oder Dampfstrahl der Plattenwärme
austauscher gereinigt werden. Sollte diese Art der Reinigung nicht mehr
ausreichen, z. B. bei Ablagerungen, kann der Plattenwärmeaustauscher in
die einzelnen Trennflächenmodule zerlegt werden und dann gereinigt wer
den. Einzelne, nicht mehr reinigungsfähige oder defekte Trennflächenmo
dule können auf einfache Art preiswert ersetzt werden.
Die Dichtflächen (2) können auch so aufgebracht werden, daß sich durch
das wechselweise Stapeln für einen beliebigen oder aber auch für beide
Medienströme (8a, 8b) Zwischenabzweige (3c) zur Aus- und Einspeisung
von Teilströmen (8c) ergeben (siehe Fig. 7). Wird ein solcher Zwischen
abzweig für den Außenluftstrom hergestellt, kann ein Teil der schon er
wärmten Luft wieder vor den Plattenwärmeaustauscher geführt und mit der
nichterwärmten Außenluft gemischt werden. Wird eine bestimmte Menge an
der richtigen Stelle abgezweigt, nimmt die gemischte Außenluft vor dem
Plattenwärmeaustauscher eine Temperatur an, bei der eine Vereisungsge
fahr des Kondensats ausgeschlossen werden kann.
Die Berechnungen erfolgen nach den Regeln der Thermodynamik.
Die Gasdichtheit wird durch mehr oder weniger starke Verpressen der ge
stapelten Trennflächenmodule (Fig. 6, 7), (1, 5) zwischen den biegesteifen
Abschlußplatten (6) erreicht. Durch die aufgebrachten Dichtflächen
dichten sich die Medienströme nach außen und zwischen den wärmeaustau
schenden Medien selbst ab. Über den Preßdruck und der Dichtflächen
breite kann der Plattenwärmeaustauscher an den jeweiligen Betriebsdruck
angepaßt werden.
Da die Reaktionslänge frei wählbar ist, kann jeder gewünschte Tempera
tur-Austauschgrad erreicht werden. Hohe Austauschgrade bedingen jedoch
große Reaktionslängen, so daß das Verhältnis zwischen Länge und Abstand
der Trennflächenmodule zu einem hohen Druckverlust führt. Dies kann er
findungsgemäß dadurch gelöst werden, daß auch der Abstand zwischen
den Trennflächen frei wählbar ist. Dies wird auslegungstechnisch durch
die Dicke der druckfesten, inneren der Dichtflächenkomponente berück
sichtigt.
Durch die Kombinationsmöglichkeit des Gegenstromprinzipes mit frei
wählbaren Reaktionslängen, Trennflächenabständen und der Rückluftby
passmöglichkeit wird ein hoher Austauschgrad bei geringem Druckverlust,
also geringer Ventilatorarbeit, und ohne Vereisungsgefahr gewährleistet.
Als Ventilatorarbeit wird elektrischer Energie benötigt, die wiederum
in Kraftwerken mit einem bestimmten Wirkungsgrad aus Wärme erzeugt wird.
Bei einem Kraftwerkwirkungsgrad im Mittel von etwa 0.33 und weiteren
Verlusten bei Leerlauf, In- und Außerbetriebnahme und Verteilung wird
für eine Einheit Strom vier Einheiten Wärme benötigt. Wenn das Verhält
nis von Wärmerückgewinn und Ventilatorarbeit höher als vier wird, kann
der Wärmeaustausch als effizient betrachtet werden. Ein Verhältnis von
über 10 kann als hocheffizient bezeichnet werden. Mit dem vorgeschla
genen Merkmalen kann ein Plattenwärmeaustauscher gebaut werden, der
durch seine Auslegung die Bedingung hocheffizient erfüllt.
Zur einfachen Montage weisen die Trennflächenmodule Vorrichtungen wie
z. B. Abkantungen (4a), Kerben (4b), Zentriernippel oder Farbmarkie
rungen auf. Die Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) haben jeweils an einer
Seite Abkantungen (4a) oder Kerben (4b), welche verschieden breit sein
können und in verschiedenen Abständen vom Rand angebracht sind. Das
stapelnächste Trennflächenmodul (Fig. 5, Pos. 1) besitzt dort, wo das
stapeltiefere Trennflächenmodul (Fig. 5, Pos. 5) eine Abkantung hat
eine Kerbe auf oder umgekehrt.
Sind an einer Flanke die Kerben und Abkantungen breiter oder schmäler
oder mehr oder weniger vom Rand entfernt als auf der gegenüberliegenden
Seite, ist eine seitenrichtige Montage der abwechselnd in Normal- (1)
und Spiegelbildausführung (5) gestapelten Trennflächenmodule gewähr
leistet. Desweitern wird dadurch gewährleistet, daß die Trennflächenmo
dule genau deckungsgleich übereinander gestapelt sind. Für eine seiten
richtige Montage genügt auch eine Farbmarkierung.
Ein Wärmeaustausch zwischen Medien mit unterschiedlichen Betriebs
drücken kann ohne Ausbeulen der Trennflächen zur druckniederen Seite
dadurch bewältigt werden, daß auf den Trennflächenmodulen (Fig. 1, 2, 3)
kleine, kurze Stücke (10) der Dichtflächen (2) oder aus adäquaten
Materialien bestehend aufgebracht sind.
Claims (7)
1. Plattenwärmeaustauscher in Modulbauweise zum rekuperativen Wärme
austausch im Gegenstromprinzip zwischen gasförmigen Medien,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeaustauscher (Fig. 5, 6) aus stapelbaren, zerlegbaren und
wieder zusammenfügbaren Trennflächenmodulen (Fig. 1, 2, 3) besteht, auf
denen Dichtflächen (2) derart aufgebracht sind, daß durch wechselweises
Stapeln von Normal- (1) und Spiegelbildausführung (5) der Trennflächen
module (Fig. 1, 2, 3) die An- (3a) und Abströmöffnungen (3b) und auch Zwi
schenabzweige (3c) für die Medienströme (8a, 8b, 8c) ausgebildet werden,
die Medienströme nach außen und zwischen den wärmeaustauschenden Medien
selbst abgedichtet werden und die Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) durch
die Höhe der Dichtflächen (2) auf den gewünschten Abstand gehalten werden.
2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die auf den Trennflächenmodulen (Fig. 1, 2, 3) aufgebrachten Dichtflächen
(2) aus zwei oder mehreren sich umschließenden Komponenten (Fig. 4), (7a,
7b) bestehen, wobei die innere Komponente (7b) so druckfest ausgelegt
ist, daß mit den Dichtflächen (2) gleichzeitig der gewünschte, für jeden
Medienstrom separat festlegbare Abstand zwischen den Trennflächenmodulen
(Fig. 1, 2, 3) bestimmbar ist.
3. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
an den Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) Vorrichtungen in Form von Abkan
tungen (4a) oder Aussparungen (4b), Zentriernippel oder Zentrierbohrung
oder Farbmarkierungen derart angebracht sind, daß durch Stapelung der
Normal- (1) und Spiegelbildausführungen (5) Abkantungen (4a) in die dazu
passende Aussparungen (4b), Zentriernippel in die dazupassenden Zent
rierbohrungen ineinanderfügbar sind oder die Farbmarkierungen zueinander
passen.
4. Plattenwärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) nach dem Stapeln zwischen zwei
gleichlangen, biegesteifen Abschlußplatten (6) jederzeit wieder lösbar
verpreßt werden.
5. Plattenwärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) in Länge, Breite und Abstand in Ab
hängigkeit des geforderten Temperatur-Austauschgrades, dem zulässigen
Strömungsdruckverlust und dem Volumenstrom angepaßt werden.
6. Plattenwärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trennflächenmodule (Fig. 1, 2, 3) je nach Betriebsbedingungen, Art und
Eigenschaften der wärmeaustauschenden Medien (8a, 8b, 8c) aus den dafür
geeigneten Materialien bestehen oder einseitig aber auch beidseitig
unterschiedlich beschichtet sind.
7. Plattenwärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dichtflächen (2) je nach Betriebsbedingungen, Art und Eigenschaften
der wärmeaustauschenden Medien (8a, 8b, 8c), Strömungsgeschwindigkeit und
Differenzdruck zwischen der Umgebung und den Medienströmen in sich in
Dichtungsbreite und Material, für jeden Medienstrom separat auswählbar,
angepaßt sind.
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ID=6503849
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