DE69621943T2

DE69621943T2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE69621943T2
Application number: DE69621943T
Authority: DE
Inventors: Bernt Nystroem
Original assignee: Air Innovation Sweden AB
Current assignee: Air Innovation Sweden AB
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JP2000500560A; NO314275B1; EP0861410A1; JP3874802B2; SE512720C2; DK0861410T3; CA2237614A1; NO982262D0; ATE219572T1; WO1997019310A1; EP0861410B1; NO982262L; US5927387A; SE9504107D0; SE9504107L; CA2237614C; DE69621943D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der vorzugsweise zur Klimatisierung in einer Lüfteranlage verwendet wird, in der der Wärmeaustausch zwischen Abluft und Zuluft erfolgt, und der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Ein solcher Wärmetauscher ist aus der EP-A2-0086175 bekannt.

Allgemeiner Stand der Technik

Bei einem in der US-A-4377201 beschriebenen Wärmetauscher strömen die Zuluft und die Abluft auf jeder Seite von Wärmetauscherabschnitten mit rhomboid- förmigem Querschnitt in einer Trommel in entgegengesetzten Richtungen. Die entgegengesetzt ausgerichteten Luftströme werden somit zu einem mäanderförmigen Strom gezwungen, was einen relativ hohen Energieverbrauch mit sich bringt.
Zur Verringerung des Energieverbrauchs ist aus der EP-A-0 462 199 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem die Wärmetauscherabschnitte mit aufeinander ausgerichteten Abständen angeordnet sind, so daß einer der Luftströme (normalerweise die Zuluft) eine lineare Strömungsrichtung besitzt. Die Linearströmung wird jedoch jedesmal dann, wenn sie in die Wärmetauscherabschnitte eintritt oder diese verläßt, durch die Bildung von Wirbelströmen gestört. Diese Wirbelströme verursachen somit immer noch einen erhöhten Energieverbrauch, das heißt haben einen niedrigeren Wirkungsgrad.
Ein anderer Wärmetauscher, der für die Erfindung relevant ist, wird in der DE-A1-1,3137296 gezeigt.

Beschreibung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Wärmetauschers, bei dem der Energieverbrauch minimal ist und der somit einen hohen Wirkungsgrad besitzt, und der leicht zu inspizieren und zu reinigen ist.
Dies wird durch die in Anspruch 1 definierten Merkmale erreicht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers umfaßt Wärmetauscherelemente, bei denen ein Luftstrom (zum Beispiel die Abluft) zwischen benachbarten Elementen strömt, während der andere Luftstrom (zum Beispiel die Zuluft) in innerhalb jedes Elements angeordneten Kanälen strömt.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gehen aus den unabhängigen Ansprüchen hervor.
Bekannte Wärmetauscher sind in der Regel aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit hergestellt, siehe zum Beispiel die obenerwähnten Veröffentlichungen. Solche Wärmetauscher bringen nicht nur hohe Material- und Herstellungskosten mit sich, sondern sind auch äußerst schwer. Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher beseitigt auch diese Nachteile, da ein hocheffizienter Wärmetauscher aus rückgewinnbarem Kunststoffmaterial hergestellt werden kann, das zur Herstellung oder Wiederverwendung nur wenig Energie benötigt.
Ein anderer Vorteil des Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß sich der Wärmetauscher leicht an Anforderungen von Doppelt-, Dreifach- oder Vierfachquerstromwärmetauschern anpassen läßt. Die Verwendung von drei oder vier Stufen soll der Erzielung einer größeren Leistung und der Ermöglichung der Befestigung der Anschlüsse des Wärmetauschers an bestehende Lüftungsanschlüsse bei Durchführung von Umrüstungen dienen. Die Wärmetauscherabschnitte können unterschiedlich sein, und nicht alle Stufen müssen gleich groß sein. Des weiteren weist der Wärmetauscher vollkommen flache Oberflächen auf.

Bevorzugte Ausführungsformen

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform darstellen, ausführlicher beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 und 2 das Prinzip für zwei bekannte Wärmetauscher,
Fig. 3 das Prinzip in einem Teil eines Wärmetauscherpakets für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,
Fig. 4 eine weitere Entwicklung eines Elementpaars für den Wärmetauscher nach Fig. 3,
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Doppeltquerstromwärmetauscher,
Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Dreifachquerstromwärmetauscher, und
Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Vierfachquerstromwärmetauscher.
Wie in Fig. 1, die einen im Handel erhältlichen Wärmetauscher zeigt, zu sehen, werden sowohl die Zuluft I als auch die Abluft U dazu gezwungen, in mäanderförmigen Strömen auf jeder Seite der Wärmetauscherabschnitte 1, 2 zu strömen. Wie oben angeführt, führt dies zu Energieverlusten.
Eine andere bekannte Wärmetauscherausführungsform wird in Fig. 2 dargestellt, die auch zwei Wärmetauscherabschnitte 1, 2 in einer Wärmetauschertrommel 3 umfaßt. Obgleich hier einer der Luftströme U geradewegs durch die aufeinander ausgerichteten Wärmetauscherabschnitte 1, 2 hindurchströmt, kommt es zur Bildung von Wirbelströmen, wenn der Luftstrom in jeden Wärmetauscherabschnitt 1, 2 eintritt und diese verläßt, wodurch der Energieverbrauch steigt.
Diese Probleme werden bei dem Wärmetauscher 5 beseitigt, dessen Prinzip darin besteht, daß ein Luftstrom U ununterbrochen durch den Wärmetauscher 10 strömt, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Figur zeigt einen Teil eines Wärmetauscherpakets, das in eine unten ausführlicher beschriebene Wärmetauschertrommel angeordnet werden soll und aus einer Vielzahl von Wärmetauscherelementen 11 besteht, die zur Bildung eines Wärmetauscherabschnitts gestapelt oder gepackt sind. Dieser Abschnitt weist keinen Rahmen auf und kann wiederum zur wiederholten Durchströmung von Querströmen unterteilt werden. Somit besteht kein Spalt jener Art, der zwischen den Wärmetauscherabschnitten bereits bekannter Wärmetauscher besteht. Strömungswege 12 werden zwischen Paaren von Elementen 11 gebildet, durch die im gezeigten Beispiel die Abluft U strömt. Die Wärmetauscherelemente 11 werden jeweils durch dünnwandige Platten 13, 14 gebildet, die zwischen sich Kanäle 15 für den anderen Luftstrom, in dem gezeigten Beispiel Zuluft I, bilden.
Die Wärmetauscherelemente 11 bestehen vorzugsweise aus Wellkunststoffplatten, deren Wände 13, 14 eine Dicke T von 0,05-0,80 mm aufweisen. Je dünner das Kunststoffmaterial, desto besser die erzielte Wärmeübertragung. Die Kanäle 15 im gewellten Kunststoff weisen eine Tiefe Dc von ca. 2,0-6.0 mm und eine Breite Wc von ca. 3-25 mm, vorzugsweise 6 mm, auf.
Das verwendete Kunststoffmaterial ist vorzugsweise ein Polypropylen- oder Polycarbonatkunststoff, wobei letzterer besonders vorteilhaft ist, da er eine hohe Brandklasse (B1 gemäß schwedischer Normen) besitzt. Ein Kunststoffwärmetauscher gestattet fast jede vorstellbare Luftqualität zur Wärmerückgewinnung, zum Beispiel sowohl Küchen- als auch industrielle Abluft. Der Kunststoff ist mechanisch stabil und eignet sich deshalb zur Reinigung mit Strahlluft oder zur Hochdruckstrahlreinigung.
Die Wellkunststoffplatten oder -elemente 11 sind mittels beständiger Packungsstreifen 16 miteinander verbunden, deren Querschnitt rechteckig sein kann, aber vorzugsweise kreisrund ist. Die Streifen 16 definieren die Tiefe Dp und Breite Wp der schmalen, aber ununterbrochenen, geraden Strömungswege 12. Die Tiefe Dp beträgt somit ca. 2,0-6,0 mm, vorzugsweise 2,3-2,5 mm. Bei einem Abstand zwischen Streifen von ca. 15 cm wird für die Strömungswege 12 eine entsprechende Breite Wp von ca. 15 cm erhalten.
Die Streifen sind an mindestens einer flachen Fläche der Paare von einander zugewandten Elementen 11 befestigt. Jeder vierte bis jeder achte Streifen 16 ist an beiden gegenüberliegenden Flächen der Elemente 11 befestigt, während Zwischenstreifen 16A nur an einem der Elemente 11 befestigt sind, wie in Fig. 4 gezeigt. Dadurch wird eine effiziente Reinigung der Wärmetauscherelemente 11 ermöglicht, da sie ohne Auseinanderbau des Wärmetauschers aufgeweitet werden können, wie in Fig. 4B gezeigt.
Die Streifen 16, 16A können durch Verkleben, Verschweißen oder auf eine andere geeignete Weise befestigt werden.
Im Betrieb strömt ungefilterte Abluft U entlang der Außenseite der Wellkunststoffplatten oder -elemente 11 in den durch die Streifen 16, 16A gebildeten Wegen 12. Da die Strömungsrichtung vertikal und die Luft ungefiltert ist, besteht keine Gefahr des Gefrierens, gleichgültig wie kalt die Abluft U hinter dem Wärmetauscher wird.
Durch Verwendung langer, dünner Kunststoffelemente 11 in großen Wärmetauschern kann ein Temperaturwirkungsgrad von mehr als 90% erreicht werden. Je länger die Betriebsdauer, desto höher der Gesamtwirkungsgrad, da keine Entfrostung erforderlich ist.
Somit können durch Verwendung des Wärmetauscherelements 11 gemäß der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Wärmetauscherabschnitte aufgebaut werden, die einen Wärmetauscher 10 bilden. Im Gegensatz zur bekannter Technologie, bei der mehrere dieser Wärmetauscherabschnitte verwendet werden, sind sie gemäß der Erfindung ohne Abstand dazwischen miteinander verbunden. Bei bereits bekannten Wärmetauschern erfolgte der Austausch höchsten zweimal, siehe Fig. 1 und 2, aber der erfindungsgemäße Wärmetauscher 10 gestattet bis zu vier Austausche.
Eine erste vollständige Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 5 als Doppeltquerstromwärmetauscher der Gegenstromart gezeigt. Die Zuluft I strömt kontinuierlich durch einen Wärmetauscherabschnitt 17, der aus mehreren (ca. 100) Wärmetauscherelementen 11 aufgebaut ist. Abluft U wird durch einen in einem Einlaßteil einer ersten angrenzenden Kammer 1, die sich entlang der gesamten Querseite des Wärmetauscherabschnitts 17 befindet, befindlichen Einlaß 18 in den Wärmetauscherabschnitt 17 geleitet. Danach durchquert die Abluft U eine erste Stufe 20 des Wärmetauscherabschnitts 17, der für die Abluft U in die erste Stufe 20 und eine zweite Stufe 21 unterteilt ist. Ein zweite angrenzende Kammer 22 ist entlang der anderen Querseite des Wärmetauscherabschnitts 17 angeordnet, in der die Abluft U abgelenkt wird und so wieder den Wärmetauscherabschnitt 17 durch seine zweite Stufe 21 und durch einen Auslaßteil in der ersten angrenzenden Kammer 19 durchquert, dann weiter durch den Wärmetauscher 10 über einen in der ersten angrenzenden Kammer 19 angeordneten Auslaß 23 hinausströmt.
Die Unterteilung des Wärmetauscherabschnitts 17 in zwei Stufe n erfolgt durch abdichtendes Einsetzen der Streifen 16A zwischen den Wärmetauscherelementen 11 als Abluftsperre. Eine Klappe 24 ist mit den Streifen 16A zu den der ersten angrenzenden Kammer 19 zugewandten Enden hin verbunden und dichtet gegen die der ersten angrenzenden Kammer 19 zugewandten Seite des Wärmetauscherelements 11 ab, wobei die Klappe die angrenzende Kammer 19 in den Einlaß- und den Auslaßteil unterteilt. Die Klappe 24 wird in geschlossener Stellung (in Fig. 5 gezeigt) angeordnet, um die Abluft U zweimal durch den Wärmetauscherabschnitt 17 zu zwängen, und in geöffneter Stellung, um zu gestatten, daß die Abluft U den gesamten Wärmetauscherabschnitt 17 durchströmt. Die Abluftsperre und die Klappe 24 sind als eine Einheit ausgebildet, die von der "Klappenseite" des Wärmetauschers aus angebracht ist.
Eine zweite vollständige Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 6 als Dreifachquerstromwärmetauscher der Gegenstromart gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscherabschnitt 17 in drei Stufen unterteilt, Stufe x, Stufe y und Stufe z. Die drei Stufen des Wärmetauscherabschnitts 17 gemäß dieser Ausführungsform werden durch eine erste Abluftsperre 25 und eine zweite Abluftsperre 26 definiert, die beide, wie oben beschrieben, aus Streifen 16A und der Klappe 24 bestehen. Des weiteren ist diese Ausführungsform mit einem Sammelkanal 27 am Auslaß für die Abluft versehen. Der Wärmetauscher weist drei Austauschmöglichkeiten auf:
1) voller Austausch durch alle Austauschstufen x, y, z, wenn beide Klappen geschlossen sind;
2) Austausch durch Stufe x, wenn nur die Klappe in der ersten Abluftsperre 25 geöffnet ist;
3) Austausch durch Stufe z, wenn nur die Klappe in der zweiten Abluftsperre 26 geöffnet ist.
Somit wird ein dreistufiger Wärmetauscher gemäß der Ausführungsform in Fig. 6 gebildet, indem dem zweistufigen Wärmetauscher nach Fig. 5 lediglich eine zusätzliche Abluftsperre und ein modifizierter Auslaß hinzugefügt werden.
Eine dritte vollständige Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 7 als Vierfachquerstromwärmetauscher der Gegenstromart gezeigt. Der Wärmetauscherabschnitt 17 ist bei dieser Ausführungsform in vier Stufen unterteilt: Stufe a, Stufe b, Stufe c und Stufe d. Die Stufen a und b und die Stufen c und d werden jeweils durch eine Abluftsperre 26, 25 der oben beschriebenen Art unterteilt, während die Stufen b und c durch eine Abluftsperre 30 voneinander getrennt werden, die mit einer Luftwand 28 versehen ist, die eine angrenzende Kammer anstatt, wie vorher, eine Klappe abdichtend abtrennt. Diese mit einer Luftwand versehene Abluftsperre 30 ist so angeordnet, daß die Luftwand 28 der gegenüberliegenden Seite der Klappe zugewandt ist. Dieser Wärmetauscher kann als zweistufiger Doppeltwärmetauscher angesehen werden. Somit kann aus einem zweistufigen Wärmetauscher nach Fig. 5 ein vierstufiger Wärmetauscher nach Fig. 7 gebildet werden, indem eine mit einer Klappe versehene zusätzliche Abluftsperre und eine mit einer Luftwand versehene Abluftsperre hinzugefügt werden. Hier kann auch der vierstufige Wärmetauscher als ein zweistufiger Wärmetauscher betrieben werden, wenn eine Klappe geöffnet und eine geschlossen ist. Wenn beide Klappen geöffnet sind, findet überhaupt kein Austausch statt.
Obgleich der erfindungsgemäße Wärmetauscher in Verbindung mit mehreren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, daß für einen Fachmann andere Variationen und Modifikationen möglich sind, ohne den in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

1. Wärmetauscher mit einem Wärmetauscherabschnitt (17), der ein Paket (10) von Wärmetauscherelementen (11) enthält, die vorzugsweise zur Klimatisierung in einer Lüfteranlage bestimmt sind, in der der Wärmeaustausch ausführungsgemäß zwischen Abluft und Zuluft (U, I) erfolgt, wobei entweder die Abluft oder die Zuluft (U, I) so angeordnet ist, daß sie eine ununterbrochene, laminare Strömung durch den Wärmetauscher besitzt, während der andere Luftstrom so angeordnet ist, daß er den Wärmetauscherabschnitt (17) mindestens zweimal durchströmt, und ein Luftstrom so angeordnet ist, daß er zwischen jedem benachbarten Element (11) hindurchströmt, wobei die Elemente (11) zwei dünnwandige Platten (13, 14) mit voneinander abgewandten Flächen umfassen, wobei die einander zugewandten Innenflächen der Elemente durch Unterteilung Kanäle (15) bilden und wobei einer der Luftströme so angeordnet ist, daß er innerhalb jedes Elements (11) in den Kanälen (15) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (11) mittels zwischen den einander zugewandten glatten Außenflächen zweier benachbarter Elemente (11) angeordneter Streifen (16, 16A) spaltförmige Strömungswege (12) für den anderen Luftstrom bilden und mindestens einer der Streifen (16, 16A) an mindestens einer der einander zugewandten Außenflächen der Elemente (11) befestigt ist und daß jeder vierte bis jeder achte Streifen (16) der Streifen (16, 16A) an beiden einander gegenüberliegenden Flächen der Elemente (11) befestigt ist, während die Zwischenstreifen (16A) nur an einem der Elemente (11) befestigt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen (16, 16A) an einer Seite des Wärmetauscherabschnitts (17) mit einem Blockiermittel (24, 28) verbunden sind, das sich in einer von zwei aneinander angrenzenden Kammern (19, 22) neben dem Wärmetauscherabschnitt befindet, und für den Luftstrom eine Sperre (25, 26) für die Abluft bilden, um den Wärmetauscherabschnitt (17) in mindestens zwei Stufen (20, 21, x, y, z, a, b, c, d) zu unterteilen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherabschnitt (17) mittels einer Abluftsperre in eine erste Stufe (20) und eine zweite Stufe (21) unterteilt wird, so daß sich das Blockierglied (24, 28) in Form einer Klappe (24) in der ersten angrenzenden Kammer (19) befindet.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherabschnitt (17) durch zwei Abluftsperren (25, 26) in drei Stufen (x, y, z) unterteilt ist, so daß das Blockierglied (24, 28) in Form einer Klappe (24) in der ersten Abluftsperre (25) sich in der zweiten angrenzenden Kammer (22) und das Blockierglied (24, 28) in Form einer Klappe (24) in der zweiten Abluftsperre (26) sich in der ersten angrenzenden Kammer (19) befindet.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherabschnitt (17) mittels dreier Abluftsperren (25, 26, 30) in vier Stufen (a, b, c, d) unterteilt ist, so daß das Blockierglied (24, 28) in Form einer Klappe (24) in der ersten Abluftsperre (25) sich in der ersten angrenzenden Kammer (19) und das Blockierglied (24, 28) in Form einer Klappe (24) in der zweiten Abluftsperre (26) sich in der ersten angrenzenden Kammer (19) befindet und das Blockierglied (24, 28) in Form einer Luftwand (28) in der dritten Abluftsperre (30) sich in der zweiten angrenzenden Kammer (22) befindet, wobei sich die dritte Abluftsperre (30) zwischen der ersten Abluftsperre (25) und der zweiten Abluftsperre (26) befindet.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wanddicke (T) der Platten (11) auf ca. 0,05-0,80 mm beläuft.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) eine Tiefe (Dc) von ca. 2,0-6,0 mm und eine Breite (Wc) von ca. 3-25 mm, vorzugsweise 6 mm, besitzen.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmigen Strömungswege (12) eine Tiefe (Dp) von ca. 2,0-6,0 mm, vorzugsweise 2,3-2,5 mm, besitzen, wobei die Tiefe (Dp) durch die Streifen (16, 16A), deren Querschnitt vorzugsweise kreisrund ist, und durch die Kraft, mit der das Wärmetauscherpaket (10) zusammengefügt ist, definiert wird.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherabschnitt (17) so angeordnet ist, daß er in eine optionale Anzahl von Stufen unterteilt ist, wobei Abluftsperren (25, 26, 30) in den Abschnitt einführbar sind und zwischen den Wärmetauscherelementen (11) abdichten.