DE8704409U1

DE8704409U1 - Gegenstromwärmetauscher

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Publication number: DE8704409U1
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Priority date: 1987-03-25
Filing date: 1987-03-25
Publication date: 1988-06-30

Description

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Johann Schönhammer
Niederreüth 131
8317 Mengkofen

Die Neuerung bezieht sich auf einen Gegenstromwärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Wärmetauscher sind Arbeitsgerätschaften, die insbesondere in der Landwirtschaft zur Staube- und entlüftung verwendet werden. Sie dienen der Anwärmung der kalten Zuluft im Winter durch die wärme Abluft und damit der verbesserten Energieausnützung und der Ermöglichung höherer Luftaustauschraten. Zum Betrieb des Zu- und Abluftsystems mit Wärmetauscher werdeii nur zwei Gebläse benötigt, im übrigen ist der in einem Schacht oder Kamin eingesetzte Wärmetauscherblock betriebskosten- und wartungsfrei, insbesondere reinigt er sich selbst durch das sich an den Wänden sammelnde und nach unten ablaufende Kondenswasser. Die Wärmetauscher werden bevorzugt mit vertikalen Kanälen, zumindest jedoch mit einer nennenswerten Vertikalkomponente montiert. Mit derartigen Wärmetauschern sind bereits Wirkungsgrade über 50 % erzielt worden.

Beispielsweise ist ein Gegenstromwärmetauscher bekannt (DE-PS 31 OC 523), der als Folienwabenwärmetauscher mit vertikalen Kanälen ausgebildet ist und dessen Durchströmkanäle gemäß einer Ausführungsform aus Wellenbahnen aus Kunststoff gebildet sind, die so zusammengesetzt sind, daß sie die parallelen vertikalen Luftkanäle bilden. In einem Wärmetauscherblock wechseln sich in horizontalen Schnittebenen in den Hauptrich— tungen die Querschnittsflächen der aufsteigenden Abluftkanäle mit den Querschnittsflächen der absteigenden Zuluftkanäle ab. Gemäß einer speziellen Ausführungsform werden die Kanäle auch durch Hohlkammerprofilplatten gebildet, deren Hohlkammern ein ellipsenförmiges Profil aufweisen.

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Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Gegenstrom-Wärmetauschers ohne Inkaufnahme sonstiger⁴ funktionelier Nächteile durch Erhöhung der durch die jeweiligen Wände hindurch herrschenden Temperaturunterschiede noch weiter zu verbessern* Dies wird durch die im Anspruch .1 gekennzeichnete NeUetUHg erreicht.

Die gekennzeichnete Neuerung mit sich entlang der Kanalerstreckung drehenden Querschnittsachsen ergibt eine gewendelte Ausführung, die dazu beiträgt, daß sich in diesen Kanälen und auch in den gegensinnig durchströmten Kanälen, die dazwischenliegen, die Luftströme verwirbeln Und immer wieder von der Wand ablösen, so daß nicht innerhalb dieser Kanäle, die beispielsweise die aufsteigenden Abluftkanäle sind, eine warme Kernsäule bis zum oberen Luftabzug weitgehend ohne Kontakt mit der Wärmetauscherwand aufsteigt, vielmehr wird die Luft in den Kanälen jeweils in Drall versetzt, wodurch sich ständig wechselnde Anteile im wärmetauschenden Wandkontiakt befinden. Diesbezüglich wird bereits ein Fortschritt erzielt, wenn nur eine der beiden Kanalarten, also Abluftkanäle oder Zuluftkanäle, die darin geführte Luft entsprechend verwirbeln, ein optimales Ergebnis erzielt man indessen, wenn beide Kanäle neuerungsgemäß ausgeführt sind.

Gemäß Anspruch 2 sind vorzugsweise zumindest die sich drehenden Querschnitte der Abluftkanäl'2 länglich rund und damit kantenfrei, wodurch die Reinigung aufgrund deiä herabfließenden Kondenswasser zu vollkommeneren Ergebnissen führt.

Gemäß Anspruch 3 ergibt sich die zweckmäßige Situation, daß gleichsinnig durchflossene Luftkanäle, insbesondere die warmen Abluftkanäle, einander nur punktweise, ggf. über kurze Stege, berühren. Dies stellt einen weiteren Effekt der wendeiförmigen Kanäle dar, durch deren Formgebung lange Längsbereiche der Berührung gleichartiger Kanäle vermieden werden, was wiederum die effektive Wärmertauscherflache erhöht. Da auch die Wendelung an sich die Wärmertauscherfläche pro Höhe des Wärmetauseherblocks erhöht, kann diese Höhe insgesamt bei gleichem Effekt niedriger gehalten werden.

Die Verwirbelung der Luftströme kaiin durch zusätzliche Maßnahmen, mit Ausnahme von Luftleitblechen, die den Selbstreinigungseffekt stören wür—

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den, gesteigert Werden* Anspruch 4 gibt entsprechende Maßnahmen an, Wobei insbesondere ein progressiver Drall als zweckmäßig erachtet wird. Eine weitere Maßnahme gemäß Anspruch 5 sieht Vor , daß sich die Wendel-richtung im Verlauf der Länge ändert, insbesondere sprunghaft,- wobei beispielsweise zwei, aber auch mehr Abschnitte von jeweils Wechselnder Wendelrlchtüng vorhanden sein können«

Entlang den Kanälen, insbesondere an den Wendel-Wendepunkten, so vorhanden, können nach Anspruch 7 spezielle Wirbelkammern eingefügt sein, die insbesondere die Konfiguration höhler Würfel haben können. Der gleichmäßig mit Drall hindurchziehende Luftstrom verfängt sich an den Innenflächen der Würfel und mischt sich hierdurch neu.

Eine spezielle Ausführungsform nach Anspruch 9 sieht vor, daß die Drehung der Querschnitte gleichzeitig mit einem Versatz der Querschnittsmittelpunkte einhergeht, insbesondere so, daß in der Projektion des Kanals auf die Horizontale keine Fläche vorhanden ist, die von oben bis unten vollständig nur dem betreffenden Kanal zugeordnet ist. Auch hierdurch wird vermieden, daß entlang der Kanal-Längsachse ein mittlerer Luftfaden stehenbleibt, der zürn Wärmeaustausch wenig beiträgt.

Nach Anspruch 10 können auch solche gewendelten Kanäle in an sich bekannter Weise (DE-PS 31 02 523) aus Profilplatten gebildet werden, die jedoch nicht nur im Horizontalschnitt, sondern auch im Vertikalschnitt ein Profil aufweisen. Anspruch 11 gibt eine Kanalanordnung an, für deren Aufbau Profilplatten einer einzigen Profilierung genügen, die passend zusammengefügt werden, was Lagerhaltung und Montage erheblich vereinfacht .

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 drei ausschnittweise Querschnitte durch einen Gegenstromwärmetauscher in verschiedenen Höhenebenen;

Fig. 2 eine ausschnittweise Seitenansicht des Wärmetauschers nach Fig. 1 unter Aufzeigung der Schnitt—Höhenebenen;

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3 Und 4 jeweils drei SchnittdaiStellungen in verschiedenen Höhen ähnlich Fig* 1 durch abgewandelte GegGüstromwärmetaUscherj

Fig* 5 sechs Horizontalschnitte durch einen weiterhin abgewandelten Gegenstromwärmetauscher j

Fig. 6 eine Seitenansicht zweier benachbarter Abluftkanäle eines Gegenstromwärmetauschers, mit in Seinen verschiedenen Höhen durch ein Achsenkreuz schematisch angedeuteten Querschnitten*

In den verschiedenen Horizontalschnittdarstellungen sind nicht die im Hintergrund noch sichtbaren Kanten, sondern nur die Schnittkanten selbst dargestellt. Fig. 1 zeigt in drei höhenmäßig relativ nahe beieinanderliegenden Horizontalschnitten a, b und c (Fig. 2) einen Ausschnitt aus einem insgesamt einen Block bildenden Kanalsystem eines Gegenstromwärmetauschers, mit Abluftkanälen 1 mit elliptischem Querschnitt, dessen lange Ellipsenachse 2 sich von unten nach oben dreht, so daß die Enden der Achsen 2 jeweils Schraubenlinien 2' (Fig. 2) beschreiben. Es sei angenommen, der Schnitt a sei in einer Ebene im unteren Bereich des Wärmetauscherblocks gelegt. Die Achse 2 des in der Darstellung rechts oben befindlichen Abluftkanals 1 ist in der Schnittebene a parallel zur vorderen und hinteren Bildkante. In der Schnittebene b weist die Achse 2 dieses Kanals zur vordem und hinteren Bildkante bereits einen Winkel von ca. 20 und in der Schnittebene c von 40 auf. Bei der Ausführung nach Fig. 1 setzt sich die Drehung schraubenartig von unten bis
fort, wobei je nach Höhe des Wärmetauscherblocks insgesamt Drehungen von mehreren 360 erreicht werden.

Zwischen den Abluftkanälen 1 befinden sich Zwischenräume, die im Horiiontalschnitt jeweils etwa viereckig mit geschweiften Kanten sind und als Zuluftkankle 3 dienen. Diese Vierecke der Zuluftkanäle 3 wechseln zwar mit den Drehungen der Abluftkanäle 1 im einzelnen ihre Größe, ihre Summe bleibt jedoch gleich. Soweit die Summe der Zuluftkanalquerschnitte und die Summe der Abluftkanalquerschnitte sich nicht genau gleichen, gleichen sich die Luftdurchsätze durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten aneinander an. Während in den Abluftkanälen relativ warme und feuchte Stalluft nach oben aufsteigt, wird durch die Zuluftkanäle 3

kalte Außenluft von oben nach unten angesaugt. Die Abluftkanäle 1 und i die Zuluftkanäle 3 werden durch relativ dünne im wesentlichen aufrechtstehende bände 4 voneinander getrennt, zwischen denen ein Wärmeübergang von den Abluftkanälen 1 zu den Zuluftkanälen 3 stattfindet. Aufgrund des Dralls, den die gewendelten Abluftkanäle auf die jeweilige darin fließende Luftströmung ausüben, wird die Luft ständig verwirbelt und löst sich von der Wand, um dort durch Luft aus der Mitte ersetzt zu werden. Durch * die wendelartige Verdrehung der Querschnittsausdehnung der Abluftkanäle 1 wird also nicht nur die Oberfläche dieser Kanäle und damit die Wärmetauschfläche vergrößert, sondern auch für eine gleichmäßige Beteiligung des gesamten Luftvolumens am Wärmetauschvorgang gesorgt. Bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 wird auch die Zuluft erheblich verwirbelt, und zwar nicht nur durch die Wendelung der Zuluftkanäle 3j sondern auch durch deren Querschnittsänderungen, die einen Strömungsausgleich zwischen den einzelnen Zuluftkanälen 3 erzwingen. Das Kondenswasser, das sich im Inneren der Abluftkanäle 1 an deren Wand absetzt, läuft ungehindert an der Wand entlang herunter und reinigt in an sich bekannter Weise die Innenwand der Abluftkanäle, was durch d ie eckenfreie Konstruktion dieser Kanäle gefördert wird. Das Kondenswasser wird unten abgefangen und abgeführt. In den Zuluftkanälen 3 sammelt sich weniger Schmutz und kaum Kondenswasser, so daß örtliche spitzwinklige Eckkanten dieser Kanäle keine Beeinträchtigung bringen.

Zur Konstruktion des Wärmetauschers nach Fig. 1 und 2 können entsprechend verdrillte Kanalleitungen mit elliptischem Querschnitt verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, den Querschnitt aus Profilplatten 5 zusammenzusetzen, die in ihrer Hauptrichtung parallel zueinander quer durch den Block des Wärmetauschers verlaufen und diesen hierdurch aufbauen. Für die jeweils äußerste der dargestellten Wandbereiche ist in den Schnittdarstellungen von Fig. 1 jeweils noch getrennt die jeweilige Schnittansicht der einzelnen Profilplatte 5 ».Urgestellt. Durch phasenrichtiges Zusammenbauen derartiger Profilplatten ergeben sich automatisch die Abluftkanalwendeln bzw. die dazwischenlegenden spitzkantigen Zuluftkanalzwickel. Die Ränder des Blocks können ungefaßt sein, also im montierten Zustand durch die tiebäude-.Schachtwand gebildet werden, oder können in an sich bekannter" Weise (M-PS 31 OZ 523) durch spezielle Pföfilplättert gebildet sein»

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Im Fall einzelner verdrillter Kanalleitungen haben zweckmäßigerweise alle dieser Kanalleitungen einen gegenseitigen Abstand zum Durchtritt der Zuluft vom einen zum anderen der Kanäle 3> jedoch sind zur Bildung des Wärmetauschsrblocks in manchen Horizontalschnitten Koppelpunkte 7 vorhanden, beispielsweise in Form von Steck- oder auch Schnappnoppen. Stecknoppen können bei der Montage auch noch geklebt werden. Ist der Wärmetauscherblock aus Profilplatten 5 zusammengesetzt, so ist es eine Frage der Einzeldimensionierung, ob die Platten gitterplattenartig, also mit Löchern zum Austausch zwischen den beiderseitigen Zuluftströmen gebaut sein können oder ob, wie bei den Profilplatten 5 nach Fig. 1, der Zuluftaustausch nur parallel zu den Platten 5 möglich ist. Die Profilplatten 5 weisen ebenfalls zum Aneinanderheften paralleler Kanalreihen Koppelpunkte 7 auf, außerdem werden zweckmäßigerweise an Koppelstreifen 7¹, die zwischen den Kanälen liegen, die beiden jeweils eine Knnalreihe bildenden Profilplatten 5 miteinander verbunden, insbesondere verklebt. E Sie können auch durch Kleinprofile oder Steckmittel örtlich aneinander festgelegt sein, damit die insgesamt nicht sehr starren Plattenstapel eine korrekte Ausrichtung erhalten und beibehalten.

jeraäß Fig. 1 wechseln sich die benachbarten AbluftkanäZe 1 hinsichtlich |

I der Orientierung ihrer Querschnittsachse 2 stets ab.

Fig. 3 zeigt die Anordnung elliptischer Kanäle in etwas anderem Muster. Während sich nach Fig. 1 die beiden Richtungen in jeder Schnittebene alternierend abwechselten, haben nach Fig. 3 in einer Grundrichtung benachbarte Kanäle parallele Achsen 2 und in der anderen Grundrichtung aufeinander senkrechte Achsen 2.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung entsprechend Fig. 3» aber aus Profilplatten 5 aufgebaut. Die Platten 5 sind wieder, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, am Koppelstreifen 7¹ zur Bildung der Kanalreihen zusammengeklebt und an in Vertikalrichtung beabstandeten Koppel punkte 7 von Kanalreihe zu Kanalreihe zusammengeheftet, ivie ersichtlich, sind die Kanäle in Reihen 3 und Spalten 9 angeordnet, und bei der dargestellten Ausführungsform sind die längeren Achsen Z der Kanäle 1 jeder Spalte in jeder HöriiSöntalschnittebene zueinander parallel. Die Profilplatten 5 haben deshalb in jeder Söhnittebene für alle Ueih<Sn und deren gegenüberliegen- S de Seiten gleiches Profil, für* die gegenüberliegenden Seiten allerdings

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in Kopf über-Anordnung. Der Wärmetauscherblock läßt sich also aus gleichen Profilplatten zusammenbauen.

Fig. 5 zeigt anhand von sechs benachbarten Horizontalschnitten a, b, r, d, e und f eine Ausführung, die anhand rechteckiger Kanalquerschnitte dargestellt ist. Die Querschnitte könnten jedoch auch eine andere längliche Form aufweisen. Die Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß beispielsweise zwischen den Schnitten In den Schnittebenen a und e oder b und f die zusammengehörigen Kanäle keinerlei Deckung aufweisen, so daß es vollkommen ausgeschlossen ist, daß sich in einem mittleren Kanalkern eine Stiömungssäule einstellt, die ohne Austausch mit den umgebenden Schichten gerade durchzieht.

Dies wird erreicht durch zwei Sätze von Kanalwendeln, die wiederum die Abluftkanäle sind und mit I¹ bzw. 1" bezeichnet sind* In der Darstellung nach Fig. 4 drehen sich die langen Acnsen 2 der Kanäle I¹ in der Fortschreitungsrichtung von a nach f im Gegenuhrzeigersinn und diejenigen der Kanäle 1" im Uhrzeigersinn. Ein strichpunktiert eingezeichnetes Quadrat 10 kann aJs Kaumbereichsreferenz dienen, es zeigt in sämtlichen Schnittdarstellungen eine gleiche prismenförmige Raumsäule. Seitlich in das Bild hereinwandernde, i.-n Schnitt a noch nicht sichtbare Kanalquerschnitte sind gestrichelt eingezeichnet.

In verschiedenen Konstellationen sind die Schmalseiten der Kanäle 1' gegeneinander und die Schmalseiten der Kanäle 1" gegeneinander gewandt (Ebene c), an anderen Stellen Wandteile der Kanäle 1' und 1" der verschiedenen Satze, und sind an diesen Stellen über die Koppelstellen 7 in Form von Stegen miteinander verbunden. Hierdurch wird eine ausreichende Festigkeit hergestellt, ohne daß größere Flächen gleichgerichteter und gleichwarmer Kanäle aneinanderliegen und somit für den Wärmeaustausch verloren waren.

tiie Darstellung nach Fig. 5 folgt von Schnitt a bis Schnitt f den Drehungen der Kanalquerschnitte um insgesamt 225°. Sie läßt es offen, ob die Drehung über die Gesamthöhe des Wärmetauseherbleeks 225° oder 3<JU° oder eine sonstige Winkelweite beträgt, oder ob auch mehrere Wendelwindungen nacheinander kommen, beispielsweise mit einem Gesamtwinkel von

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720 . Für die Verwirbelung ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn sich der Drehsinn der Wendel im Verlauf der Höhe ein- oder mehrmals umkehrt. Fig. 6 zeigt zwei benachbarte Abluftkanäle 1, bei denen in einer gegebenen Drehphase jeweils eine Wirbelkammer 8 in Form eines Hohlquaders eingesetzt ist, an dessen beiden Anschlußseiten der Drehsinn der Kanalquerschnitte entgegengesetzt ist, wie der Darstellung der Linie 2¹ der Achsenenden zeigt. Links neben den Kanälen sind in verschiedenen Höhen Achsenkreuze eingezeichnet, die in verkleinertem Maßstab die jeweilige Drehsituation andeuten. Auch durch diese Maßnahme wird der Luftaustausch und der Wandkontakt sämtlicher Abluftpartien gefördert. Fig. 6 zeigt wiederum die Stege der Kontaktpunkte 7, die in Abstär/.an entlang der Länge der Kanäle angiordaet sind und auf diese Art einen festen Block des Wärmetauschers schaffen.

An den Rändern dieses Blocks können im Schacht oder Kamin die üblichen Randplatten vorhanden sein.

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Claims

1. Gegenstromwärmetauscher in einem Zu- und Abluftsystem, insbesondere zur Stallbe- und entlüftung, mit aufsteigenden Abluftkanälen (1) und abst-igenden Zuluftkanälen (3), die in räumlich alternierender Anordnung jeweils durch dünne Trennwände (4), die einen Wärmeübergang gestatten, 1 ineinander abgeteilt sind und von denen wenigstens die Ab- oder die Zuluftkanäle horizontale Querschnitte mit einer längeren (2) und einer kürzeren Achse aufweisen, dadurch gekennzeichngt, daß die Achsen (2) dieser horizontalen Querschnitte sich entlang der Kanalerstreckung drehen.

2. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich drehenden Querschnitte der Abluftkanäle (1) länglich rund, vorzugsweise elliptisch sind.

3· Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Wänden (4) der Kanäle mit den sich drehenden Querschnitten die jeweils andere Kanalart - Abluftkanal oder Zuluftkanal - bilden und die Wände zur Bildung eines Wärmetauscherblocks in Abständen punktweise zusammengeheftet sind (bei 7).

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4- Gegenstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steilheit der Achsendrehungen entlang der Kanal-Längserstreckung ändert.

5· Gegenstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mit den sich drehenden Querschnittsachsen eatlang abwechselnden Längenabschnitten wechselnde Achsendrehrichtungea haben (Fig. 6).

6. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsendrehrichtungen, bezogen auf die Kanal-Längserstreckung, sprunghaft ändern.

7. Gegenstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß entlang den Kanä'en (1) mit den sich drehenden Querschnittsachsen Längenbereiche einer sprunghaft geänderten Kanal— Querschnittsform als Wirbelkaininern (7) eingefügt sind.

8. Gegenstromwärmetauscher nach aem auf Anspruch 5 oder 6 rückbezogenen Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenbereiche (8) der geänderten Kanal-Querschnittsform an den Änderungsstellen der Achsendrehrichtungen eingefügt sind.

9. Gegenstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wtnigstens eine der Arten von Kanälen - Abluftkanal oder Zuluftkanal - keine vom einen Kanalende bis zum anderen Kanalande durchgehende gerade Säule aufweist (Fig. 5)·

10. Gegenstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwände (4) durch Profilplatten (5) gebildet sind, die sich einerseits in Längsrichtung und andererseits in Querrichtung dos Wärmetauschers erstrecken und in diesen beiden Richtungen ein sich änderndes Profil aufweisen.

11. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) mit dem sich drehenden Querschnitt im HoriEöntälschnitt gesehen in Reihen (8) und Spalten (9) angeordnet sind und in jeder Horizontalsclünittebene die längeren Achsen (2) entweder aller Reihen oder aller Spalten zueinander parallel sind.

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