DE4340849C2 - Plattenwärmeaustauscher in Modulbauweise zum rekuperativen Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip zwischen gasförmigen Medien - Google Patents

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.