DE19737158A1 - Hocheffizienter Wärmetauscher zur Anwendung in Sensor- oder zeitgesteuerter Stoßbelüftung mit Wärmerückgewinnung - Google Patents

Description

Die zum Stand der Technik gehörenden Geräte zur Raumklimagestaltung sind meist sehr unförmig und teuer, sofern sie überhaupt einen Wärmetauscher enthalten, ist dieser nicht besonders wirkungsvoll und kommen über einen Wärmerückgewinnungsanteil von 60% kaum hinaus. Lüftungsgeräte und -automaten besitzen oft überhaupt keinen Wärmetauscher und befördern mit der verbrauchten Raumluft auch deren Wärmeinhalt mit ins Freie, was in den kalten Jahreszeiten zu erheblichen Wärmeenergieverlusten führt.

Der Erfindungsgegenstand jedoch zeichnet sich sowohl durch seine einfache Bauart, die damit möglichen niedrigen Baukosten und vor allem trotz der geringen Baugröße durch seine hohe Effizienz aus. Die ersten Messungen an einem handgefertigten Baumuster weisen Energierückgewinnungswerte besser als 95% aus.

Folgende Abbildungen sind zur Verdeutlichung beigefügt:

• 1. Gesamtbild Fig. 1
• 2. Teilansicht A und B in Fig. 2
• 3. Verwendungsansicht Gegenstromwärmetauscher Fig. 3.

Der Wärmetauscher nach Fig. 1 besteht aus einem Stapel vieler schmaler Luftkammern mit jeweils zwei Öffnungen an den Enden einer Längsseite. Die Öffnungen der ungeradzahligen Luftkammereinheiten des Stapels liegen alle auf der einen Längsseite, jene der geradzahligen Luftkammereinheiten liegen auf der gegenüberliegenden Längsseite. Die mittels kleiner vor den Öffnungen angeordneten Lüftermotoren erzwungenen Luftströme durch die Kammern der einen Seite, fließen dann an den Kammerwänden der Luftkammern der anderen Seite entlang, in welchen sich Luftströme in der entgegengesetzten Richtung bewegen. Da die Kammerwände aus dünner Metallfolie (z. B. 12 µm) bestehen, herrscht eine sehr gute Wärmekopplung zwischen den Kammern und zwar nach jeweils zwei Seiten, mit Ausnahme der ersten und letzten Kammer, die naturgemäß nur eine Nachbarkammer haben können. Die Luftkammerhöhe wird mittels Abstandshalter, zum Beispiel Distanzrähmchen aus Plastikmaterial bestimmt. Je geringer deren Dickenmaß ist, desto mehr Luftkammern können für eine angenommene Stapelhöhe gebildet werden. Die Kapazität der Wärmekopplung wächst mit der Zahl der Kammern. Mit der Kammerzahl wachsen der Herstellungsaufwand und die Qualitätsprobleme, so daß ein Optimum zwischen Effizienz, Qualität, Durchströmungswiderstand und Herstellungsaufwand zu finden ist.

Rein rechnerisch ist für die Wärmetauscherkapazität des Stapels ein linearer Zusammenhang zur Kammerzahl zu finden, (Formel für ebene Wandflächen). Diese Formel setzt jedoch Strömungsmedia mit relativ guter Wärmekopplung voraus. Luft ist aber ein schlechter Wärmeleiter, daher muß die errechnete Wärmetauscherkapazität mit der Wärmekopplungszahl der Luft in schmalen Kammern multipliziert werden. Je dünner die Kammern sind, um so besser wird aber dieser Wert, da die freie Weglänge der Luftmoleküle immer mehr abnimmt und die Kontakthäufigkeit mit der Metallfolie zunimmt. Da hierfür kaum Tabellenwerte zu erhalten sind, müssen die Werte empirisch ermittelt werden.

In der Herstellungsmethode des Wärmetauscherstapels steckt die erfinderische Idee zum neuen technischen Handeln: Beginnend mit einer rechteckigen Grundplatte, welche eine stabilisierende und schützende Funktion hat, werden abwechselnd Abstandshalter der Anordnungsweise A bzw. B aufeinandergelegt und punktweise verschweißt oder verklebt, wobei nach jeder Lage Rähmchen die Metallfolie F (vorzugsweise Aluminium) um die lange, geschlossene Seite der U-Form A1 bzw. B1 gefaltet wird und zwischen die Abstandshalter A und. B, bzw. zwischen B und A zu liegen kommt. Die Folie soll straff gewickelt werden, damit die Luftkammern über die ganze Stapelbreite eine möglichst gleichmäßige Höhe aufweisen. Der Wickelvorgang wird bis zur vorgesehenen Stapelhöhe entsprechend oft wiederholt und mit einer weiteren Rechteckplatte abgeschlossen, wobei die Folie vor dem Aufbringen dieser Abschlußplatte abgeschnitten wird. . Zur zusätzlichen Stabilisierung kann der fertige Stapel neben den Öffnungen mit einem geeigneten Klebeband umwickelt werden. Durch die Wickelmethode sind die jeweiligen Luftkammern eindeutig und zuverlässig voneinander getrennt, so daß keine Verluste auf Grund von undichten Stellen entstehen. Als Folienmaterial dient z. B. die sehr kostengünstige Aluminium-Haushaltsfolie. Die Distanzrähmchen können ebenfalls billig aus Plastikfolienbändern, welche vorzugsweise aus Recyclingmaterial hergestellt werden, ausgestanzt werden. Ein eigener zu diesem Zweck konzipierter Stapelwickelautomat stellt die Wärmetauscherstapel in kurzer Zeit nach der beschriebenen Methode her.

Anstelle der beschriebenen Herstellungsmethode mittels gestanzter oder geschnittener Abstandsrähmchen, sind noch weitere Methoden in den Nebenansprüchen festgeschrieben:

I. Mittels eines steuerbaren und auf einem Positionieraggregat in 3 Achsen montierten Heizgerätes H werden Thermoplaste als dünner und gleichmäßiger Materialauftrag in der Anordnungsform A bzw. B direkt auf die Folienlage aufgespritzt. Nach einer Beschichtung bewegt sich das Aggregat in eine temporäre Ruheposition, damit die Folienrolle auf die gegenüberliegende Ablage gekippt werden kann. Dabei erfolgt die Faltung der Folie F über die eben erstellte Beschichtung. Eine Preßplatte drückt dann die Folie auf der noch klebrigen Beschichtung fest. Die Platte entfernt sich und die nächste Beschichtung kann beginnen, nun mit der spiegelbildlichen Anordnung zur vorigen usw. bis die endgültige Stapelhöhe erreicht ist. Der Stapel wird auch hierbei mit einer rechteckigen Grundplatte aus Plastik begonnen und mit einer ebensolchen abgeschlossen.

II. Anstelle der Verwendung thermoplastischen Materials kann auch eine Suspension aus mehrkomponentigen Duroplasten und einem geeigneten Füllmaterial verwendet werden, womit die Suspension zähbreiig eingestellt wird, damit sie nicht zerfließt. Die Härtung erfolgt bei Normaltemperatur sehr langsam. Sie kann beschleunigt werden, indem das steuerbare Spritzaggregat beheizt wird, bzw. wenn das fertige WT-Stapel im Ofen ausgeheizt wird. Die Herstellungsprozedur der Stapel läuft analog zur Alternative I ab.

III. Eine weitere Fertigungsmethode entstammt der Pulversintermethode. Hier wird auf die jeweilige Folienlage eine gleichmäßig hohe Thermoplastpulverschicht aufgestrichen, danach wird mittels einer hochkonzentrierten Wärmequelle (z. B. Laserstrahl) das Pulver im Rasterverfahren gemäß der Anordnung A bzw. B bestrahlt so daß das Pulver an diesen Stellen schmilzt und sich innig mit der Folie F verbindet. Wenn die ganze Lage abgescanned ist wird das nicht verflüssigte Pulver wieder abgesaugt. Die Faltung der Folie erfolgt wie bei I und II.

IV. Die Herstellungsmethode III kann mit der Version II in der Weise kombiniert werden, daß eine Suspension gemäß II aufgetragen wird und unmittelbar darauf mit einer konzentrierten Wärmequelle z. B. einem Laserstrahl mit Hilfe eines Ablenksystems aufgeheizt und damit eine schnellere Aushärtung erfährt.

V. Eine weitere Herstellungsart der Wärmetauscherstapel kann nach der Siebdruckmethode erfolgen. Hierbei wird mittels zweier Siebdruckwalzen, eine mit geeigneten Füllmaterialien versehenen pastenartigen Suspension aus unter Hitze aushärtenden Komponenten, auf die endlos zwischen den Walzen hindurchlaufende Folie aufgebracht. Ein darauf abgestimmter Faltmechanismus bringt die abwechselnd von jeder Seite mit der Paste beschichtete Folie, an der richtigen Stelle zum Knicken, so daß eine Z-Z-Faltung entsteht. Mit Hilfe entsprechend geformter Andruckrahmen bzw. -platten, werden die Folienabschnitte von der unbeschichteten Seite her auf den auf diese Weise wachsenden Stapel leicht aufgedrückt. Bei Erreichen der spezifizierten Stapelhöhe erfolgt das Trennen der Folie an einer Faltkante, das Abdecken des fertigen Stapels mit einer Abdeckplatte, der Weitertransport des Stapels zu einem Härteofen und der Neustart des nächsten Stapels mit Einlegen einer Grundplatte.

In der Anwendung wird der Wärmetauscherstapel in halb- oder vollautomatischen Belüftungsgeräten eingesetzt, um Wärmeenergieverluste beim Luftaustausch beispielsweise in Wohnräumen und an Arbeitsplätzen weitgehend zu vermeiden. Aber nicht nur während der kalten Jahreszeiten zeigt ein solches Gerät positive Wirkung, sondern auch im Sommer können Wohnräume und Arbeitsräume längere Zeit kühl gehalten werden, sofern Außenmauern und Fenster auf niedrige Wärmeleitzahlen konzipiert sind und eine ausreichende Abkühlung in der Nacht ermöglicht wird.

Claims (7)

1. Wärmetauschergerät WT nach der beispielsweisen Ansicht Fig. 1 mit bestimmungsgemäßer Verwendung zum Luftaustausch in bewohnten Räumen oder in Arbeitsräumen mit hocheffizienter Rückgewinnung der in den, das Gerät durchströmenden Luftmengen, steckenden Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, daß mit der stapelweisen Anordnung aus einer Vielzahl von gleichartigen, schmalen Luftkammern, gebildet aus Abstandshaltern der Form und Anordnung A bzw. B und einer um die lange Außenkante der U-förmigen Abstandshalter A1 bzw. B1 geschlagene Metallfolie F und der zur Form und Anordnung A spiegelbildlichen Form und Anordnung B der Abstandshaker und der Fortsetzung der Z-Z-Faltung der Metallfolie F mit abwechselnden Lagen der Abstandshaker A bzw. B bis zur endgültigen Stapelhöhe, so daß sich durch die kennzeichnende Wickeltechnik und durch die mittels der kurzen Abstandshalter A2 bzw. B2 gebildeten Öffnungen C bzw. D der aus Rähmchen und Folie gebildeten Luftkammern auf jeder Längsseite des Wärmetauscher WT eine eindeutige Zuordnung aller Luftkammern aus den Abstandshalter-Anordnungen der Form A und auf der gegenüberliegenden Längsseite eine eindeutige Zuordnung aller Luftkammern gebildet aus den Abstandshalteranordnungen der Form B ergibt, wobei die Luftströme a bzw. b mittels geeigneter Lüftermotorantriebe zueinander in Gegenrichtung erzwungen werden.

2. Wärmetauschergerät nach PA 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter A und B aus gestanzten oder in Werkzeugen geformten Rähmchen aus nahezu beliebigem und ausreichend beständigem Material gebildet sein können, wobei die Rähmchen mit der Folie F verklebt oder in Voraussetzung geeigneten Rähmchen-Materials an mehreren Stellen miteinander verschweißt werden und somit dem Stapel während des Aufbaus eine ausreichende Stabilität und Festigkeit verleiht.

3. Wärmetauschergerät nach PA 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter A und B beim Aufbau des Stapels aus thermoplastischem Material hergestellt werden, indem das aufgeheizte flüssige Material aus einer gesteuerten Düse in den Formen A bzw. B direkt auf die Folie aufgespritzt wird, welche dann beim nächsten Faltvorgang der Folie F, mittels einer geeigneten Andruckplatte auf das noch weiche Abstandshaltermaterial aufgedruckt wird, wobei eine innige Verbindung zwischen Folie und Abstandshalter entsteht.

4. Wärmetauschergerät nach PA 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter A und B, anstelle des thermoplastischen Materials, aus einer breiigen Suspension aus duroplastischen Komponenten das mit einem geeigneten Füllmaterial vermischt ist, hergestellt werden und die fertigen Stapel optional in einer geeigneten Wärmekammer eine beschleunigte Härtung erfahren.

5. Wärmetauschergerät nach PA 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshaker A und B beim Aufbau des Stapels aus thermoplastischem Materialpulver oder Granulat hergestellt werden, welches schichtweise in gewünschter Dicke auf die Folie aufgebracht wird und mittels positions- und zeitgesteuerter konzentrierter Wärmequellen überall dort verflüssigt wird, wo die Abstandshalter A bzw. B entstehen sollen, wobei das überschüssige Material nach dem Aufheizprozeß wieder abgesaugt wird. Die Faltung der Folie erfolgt gemäß PA 3.

6. Wärmetauschergerät nach PA 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufbringen der breiigen Suspension gemäß PA 4, rasterförmig eine punktweise lokale Aushärtung innerhalb der Abstandshalterflächen A bzw. B mittels positions- und zeitgesteuerter konzentrierter Wärmequellen an vielen Orten vorgenommen, um zu qualitativ guten Ergebnissen zu kommen.

7. Wärmetauschergerät nach PA 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter A und B über eine pastöse Suspension, welche nach der Fertigstellung eines Stapels zur Erstarrung gebracht wird, hergestellt werden, die mittels eines abgewandelten Siebdruckverfahrens auf beide Seiten der endlosen Folie F abwechselnd in den Formen A bzw. B aufgewalzt wird und danach mit einem geeigneten Mechanismus in Z-Z-Faltung gestapelt wird.