DE102004054006A1

DE102004054006A1 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE102004054006A1
Application number: DE102004054006A
Authority: DE
Inventors: Michael Kas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: DE102004054006B4

Abstract

Der Wärmeaustauscher zur Wärmeübertragung von Gasen und Gasgemischen (z. B. Luft) an flüssige Medien (z. B. Wasser oder Sole) soll hohe Austauschgrade bei minimalen Druckverlusten ermöglichen. DOLLAR A Alle Bauteile des Wärmeaustauschers einschließlich der Verteiler und Sammler sollen als aktive Wärmeaustauschfläche am Wärmeaustausch beteiligt sein. DOLLAR A Der Wärmeaustauscher soll leicht zu reinigen sein. DOLLAR A Der Wärmeaustauscher soll als rahmenlose und selbsttragende Ausführung konstruiert werden. DOLLAR A Der Wärmeaustauscher (1) besteht aus einzelnen mit Flüssigkeit durchströmten Strömungskanälen (2) und dazwischen befindlichen Strömungskanälen (3) für das im Gegenstrom geführte gasförmige Medium. DOLLAR A Nebeneinanderliegende Strömungskanäle (2, 3) bilden Schichten (4), die durch Trennlagen (19) nach oben und unten geschlossen werden. Mehrere übereinander angeordnete Schichten (4) bilden den Körper (5) des Wärmeaustauschers (1). DOLLAR A Die Verteiler (6), Sammler (7), Unterverteiler (8), Untersammler (9) und Verbindungsrohre (10) befinden sich im Luftstrom. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher findet bevorzugt Verwendung in der Luft- und Klimatechnik zur Energierückgewinnung in kreislaufverbundenen Energierückgewinnungssystemen sowie in Rückkühlwerken und zur Beheizung und Kühlung verschmutzter gasförmiger Medien sowie in artverwandten Anwendungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zur Wärmeübertragung von Gasen und Gasgemischen (z. B. Luft) an flüssige Medien (z.B. Wasser oder Sole) und umgekehrt.
Entwicklung eines Wärmeaustauschers mit hohem Übertragungsgrad bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen den Medien unter besonderer Beachtung geringer Druckverluste der beteiligten Medien.
Wärmeaustauscher mit dem primären Einsatzbereich in der Luft- und Klimatechnik zur Energierückgewinnung in kreislaufverbundenen Energierückgewinnungssystemen sowie in Rückkühlwerken und zur Beheizung und Kühlung verschmutzter gasförmiger Medien sowie in artverwandten Anwendungen.

Es ist bekannt, Wärmeaustauscher in kreislaufverbundenen Energierückgewinnungssystemen einzusetzen.

Dabei werden üblicherweise Wärmeaustauscher bestehend aus wasserführenden Rohren, die quer zur Luftrichtung eingebaut werden und mit Lamellen zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche versehen sind, eingesetzt.

Da die wasserführenden Rohre in mehreren Reihen hintereinander quer zur Luftrichtung angeordnet sind, ist es erforderlich, die Fließrichtung am Ende eines jeden Rohres umzukehren, indem das Rohrende mittels Umlenkbogen mit dem Anfang des nächsten Rohres verbunden wird.

Durch die Vielzahl der erforderlichen Umlenkungen und die Länge des in den Rohren zurückgelegten Weges des flüssigen Mediums entstehen bei den bekannten Lösungen erhebliche Druckverluste. Diese hohen Druckverluste führen zu einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme der verwendeten Umwälzpumpen und reduzieren damit den Gesamtnutzungsgrad des Energierückgewinnungssystems.

Auch auf der Strömungsseite der Luft führen die quer zum Luftstrom angeordneten Rohre als eine Vielzahl von Hindernissen im Luftstrom zu vergleichsweise hohen Druckverlusten, welche zu höheren elektrischen Leistungsaufnahmen der Ventilatoren führen und ebenfalls den Gesamtnutzungsgrad des Energierückgewinnungssystems reduzieren.

Die Reinigung der luftberührten Wärmeaustauscherflächen ist schwierig und aufwändig. Da eine Reinigung bis in den Kern des Wärmeaustauschers bei mehr als z.B. 20 in Luftrichtung hintereinander angeordneten Rohrreihen kaum möglich ist, wird die Wärmeaustauschfläche auf z.B. 3 einzelne Wärmeaustauscher mit je 8 bis maximal 12 Rohrreihen aufgeteilt. Die Wärmeaustauscher werden dabei mit ausreichendem Abstand für Wartungsfreiraum in Reihe hintereinander montiert. Dadurch entsteht ein in Luftrichtung gesehen großer Platzbedarf verbunden mit Kosten für die Verrohrung der Wärmeaustauscher untereinander.

Bauartbedingt werden bei den beschriebenen Wärmeaustauschern Verteiler und Sammler außen am Wärmeaustauscher angeordnet. Auf der dem Verteiler und Sammler gegenüberliegenden Seite des Wärmeaustauschers werden die Umlenkungsbögen für die Verbindung der Rohrreihen angeordnet.

Verteiler und Sammler werden durch Rahmenteile von der Wärmeaustauscherfläche getrennt und sind nicht aktiv am Wärmeaustausch beteiligt.

Die für den Wärmeaustausch nutzbare Anströmfläche wird um den Flächenanteil der außerhalb des Luftstroms angeordneten Verteiler, Sammler und Umlenkungen reduziert.

Die bekannten Wärmaustauscherbauarten sind konstruktionsbedingt Kreuz-Gegenstrom-Wärmeaustauscher, da die wasserführenden Rohre immer quer zur Luftrichtung angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher zur Wärmeübertragung von Gasen und Gasgemischen (z. B. Luft) an flüssige Medien (z.B. Wasser oder Sole) und umgekehrt zu entwickeln, der hohe Austauschgrade bei minimalen Druckverlusten der beteiligten Medien ermöglicht.

Alle Bauteile des Wärmeaustauschers einschließlich der Verteiler und Sammler sollen als aktive Wärmeaustauschfläche am Wärmeaustausch beteiligt sein.

Dabei ist es erforderlich, die Anbindung der Verteiler und Sammler sowie der flachen Unterverteiler und Untersammler an den eigentlichen Wärmeaustauscherkörper so auszuführen, dass Behinderungen der Strömung vermieden werden.

Weiterhin sind innerhalb des Wärmeaustauscherkörpers Ecken, Kanten und Verdickungen zu vermeiden, die den Kondensatabfluss behindern und Schmutzablagerungen begünstigen können.

Weiterhin soll der Wärmeaustauscher leicht zu reinigen sein.

Die Wärmetauscherbauart soll die Bildung verschiedener Wärmeaustauscherbaugrößen aus mehreren gleichartigen einzelnen Wärmetauscher, die nebeneinander und übereinander angeordnet werden, ermöglichen.

Der Wärmetauscher soll als rahmenlose und selbsttragende Ausführung konstruiert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen genannten Merkmale gelöst.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers werden nachfolgend anhand von beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Die nachfolgenden Beschreibungen und die beiliegenden Zeichnungen haben nur einen beispielhaften Charakter und beschreiben bzw. zeigen jeweils eine von vielen möglichen Lösungen.
1 zeigt den Schnitt A-A durch den Wärmetauscherkörper 5 aus 2 bis zur Bruchlinie.
2 zeigt den Schnitt B-B, also die Draufsicht auf Strömungskanäle 2, 3 innerhalb des Wärmeaustauscherkörpers 5 sowie Verteiler 6, flache Unterverteiler 8, Sammler 7, flache Untersammler 9 und Verbindungsrohre 10 als Verbindung zu den flüssigkeitsführenden Strömungskanälen 2.
3 zeigt den Schnitt C-C, also die Seitenansicht des Wärmeaustauschers 1 mit gut erkennbarer Anbindung der flachen Unterverteiler 8 und Untersammler 9 mittels Verbindungsrohre 10 an die flüssigkeitsführenden Strömungskanäle 2.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 1 besteht aus einzelnen mit Flüssigkeit durchströmten Strömungskanälen 2 und zwischen den Strömungskanälen 2 für das flüssige Medium befindliche Strömungskanäle 3 für das im Gegenstrom geführte gasförmige Medium. Nebeneinander liegende Strömungskanäle 2, 3 bilden Schichten 4, die durch Trennlagen 19 nach oben und unten geschlossen werden.
Mehrere übereinander angeordnete Schichten 4 bilden den Körper 5 des Wärmeaustauschers 1.
Die übereinander angeordneten Schichten 4 werden in versetzten Lagen zueinander angeordnet, so dass jeder Strömungskanal 3 für das gasförmige Medium mit mehreren flüssigkeitsführenden Strömungskanälen 2 in Kontakt steht.
Die Verteiler 6 und Sammler 7 befinden sich im Strömungsbereich des gasförmigen Mediums.
Verteiler 6 und Sammler 7 sind verbunden mit ebenfalls im Strömungsbereich des gasförmigen Mediums angeordneten flachen Unterverteilern 8 und flachen Untersammlern 9.
Unterverteiler 8 und Untersammler 9 sind quer zur Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums angeordnet.
Unterverteiler 8 und Untersammler 9 können in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums gesehen versetzt angeordnet werden.
Unterverteiler 8 und Untersammler 9 werden mittels parallel zur Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums angeordneten Verbindungsrohren 10 mit den flüssigkeitsführenden Strömungskanälen 2 im Wärmeaustauscher-Körper 5 verbunden.
Um die Entlüftung und Entleerung der flüssigkeitsführenden Strömungskanäle 2 zu ermöglichen, erfolgt die Einführung der Verbindungsrohre 10 in die flüssigkeitsführenden Strömungskanäle 2 auf der einen Seite des Wärmeaustauschers im oberen Bereich 11 und auf der anderen Seite im unteren Bereich 12.
Verteiler 6 und Sammler 7 erhalten Entlüftungsanschlüsse 14, Entleerungsanschlüsse 15 und ein oder mehrere Versorgungsrohre 16 als Vorlauf bzw. Rücklauf.
Als vorteilhaft erweist sich der Umstand, dass das gasförmige und das flüssige Medium innerhalb des Wärmeaustauscher-Körpers 5 innerhalb von Strömungskanälen 2, 3 im Gegenstrom geführt werden. Da in diesem Bereich keinerlei Umlenkung erfolgt, ergeben sich geringe Druckverluste.
Die geradlinige Strömungsrichtung innerhalb der Strömungskanäle 2, 3 führt zu einer geringen Verschmutzungsneigung verbunden mit einem konstruktionsbedingten Selbstreinigungseffekt.
Bei bestimmten Betriebszuständen anfallendes Kondensat wird durch die Strömung des gasförmigen Mediums aus dem Strömungskanal 3 gespült. Dieser Effekt kann durch den Einbau des Wärmeaustauschers mit leichter Neigung in Strömungsrichtung verstärkt werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Verteiler 6 und Unterverteiler 8 und die Sammler 7 und Untersammler 9 sowie die Verbindungsrohre 10 vom gasförmigen Medium umströmt werden.
Dadurch nehmen diese Bauteile aktiv an der Wärmeübertragung teil.
Durch die Anbindung der flachen Unterverteiler 8 und Untersammler 9 in versetzten Ebenen an den Verteiler 6 und den Sammler 7 kann der Druckverlust an diesen Bauteilen reduziert werden.
Weiterhin werden die Reinigungsmöglichkeiten verbessert.
Die Bauart des Wärmeaustauschers 1 mit im Gasstrom angeordneten Verteiler 6 und Unterverteiler 8 und Sammler 7 und Untersammler 9 ermöglicht eine maximale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Anströmfläche.
Dadurch wird einerseits die Anströmgeschwindigkeit im Vergleich zu Rippenrohrwärmeaustauschern mit seitlich angeordneten Verteilern und Sammlern reduziert und andererseits die angeströmte Wärmeaustauscherstirnfläche vergrößert.
Bei breiten Wärmetauscherkammern können mehrere Wärmeaustauscher 1 nebeneinander eingebaut werden oder es werden Wärmetauscher 1 mit großer Breite verwendet.
Wärmetauscher 1 mit großer Breite erhalten zwei oder drei bis n Verteiler 6 und Sammler 7.
Wärmetauscher 1 mit mehr als einem Verteiler 6 und Sammler 7 können mit innerhalb der flachen Unterverteiler 8 und Untersammler 9 angeordneten Trennstegen 13 zur hydraulischen Trennung ausgerüstet werden.
Bei hohen Wärmetauscherkammern können mehrere Wärmeaustauscher 1 übereinander eingebaut werden oder es werden Wärmetauscher 1 mit großer Höhe verwendet.
Wärmetauscher 1 mit großer Höhe erhalten zwei oder drei bis n Versorgungsrohre 16 je Verteiler 6 und je Sammler 7.
Wärmetauscher 1 mit mehr als einem Versorgungsrohr 16 können mit innerhalb der Verteiler 6 und Sammler 7 angeordneten Trennstegen 13 zur hydraulischen Trennung ausgerüstet werden.
Dadurch ist es möglich, einen Wärmetauscher 1 mit mehreren Verteilern 6 und Sammlern 7 und oder mehreren Versorgungsrohren 16 hydraulisch wie mehrere einzelne Wärmeaustauscher 1 anzuschließen.
Als vorteilhaft erweist sich ferner die Möglichkeit, mehrere Wärmetauscher 1 nebeneinander und übereinander in Parallelschaltung zu verbinden.
Daraus resultieren geringe Fertigungs- und Lagerkosten.
Der Wärmeaustauscher 1 benötigt keinen Rahmen.
Die Konstruktion des Wärmeaustauschers erlaubt eine rahmenlose und selbsttragende Wärmetauscherausführung.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 1 findet bevorzugt Verwendung in der Luft- und Klimatechnik zur Energierückgewinnung in kreislaufverbundenen Energierückgewinnungssystemen sowie in Rückkühlwerken und zur Beheizung und Kühlung verschmutzter gasförmiger Medien sowie in artverwandten Anwendungen.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
4: Darstellung analog zu 2, jedoch Ausführung mit unterschiedlicher Länge der Verbindungsrohre 10 und versetzter Anbindung der flachen Unterverteiler 8 und Untersammler 9 an den Verteiler 6 und Sammler 7.
Aus Gründen der übersichtlichen Darstellung wird nur eine Schicht 4 dargestellt.
5: Darstellung analog zu 3, jedoch Ausführung mit unterschiedlicher Länge der Verbindungsrohre 10 und versetzter Anbindung der flachen Unterverteiler 8 und Untersammler 9 an den Verteiler 6 und Sammler 7.
6: Darstellung analog zu 2, jedoch breiter Wärmeaustauscher 1 mit zwei Verteilern 6 und zwei Sammlern 7, wobei die flachen Unterverteiler 8 und Untersammler mit Trennstegen 13 ausgerüstet sein können.
7: Alternative Ausführung der Strömungskanäle 2 für das flüssige Medium.
Darstellung analog zu 1.
Es wird vorgeschlagen, vom flüssigen Medium durchströmte L-Profile bzw. Winkelprofile zu verwenden.
Werden diese Profile fest miteinander verbunden, kann auf die Verwendung von Trennlagen 19 verzichtet werden.
Die Verbindungsrohre 10 sollten hierbei ein- und austrittseitig mit unterschiedlicher Höhe 11, 12 und in unterschiedlichen Schenkeln des L-Profils bzw. Winkelprofils angeschlossen werden.
8: Alternative Ausführung der Strömungskanäle im Wärmeaustauscherkörper 5.
Darstellung analog zu 1.
Diese Ausführungsvariante ist ein Plattenwärmeaustauscher mit Platten 18, die Strömungskanäle 2 für das flüssige Medium bilden. Durch Stege 17, die der Lastverteilung dienen und gleichzeitig die Wärmeübertragungsfläche vergrössern, entstehen Strömungskanäle 3 für das gasförmige Medium.
Die flüssigkeitsführenden Strömungskanäle 2 sind in den Zeichnungen (1) als Rechteckrohr dargestellt. Dadurch ergeben sich ebenfalls rechteckige Strömungskanäle 3 für das gasförmige Medium.
Die Verbindungsrohre 10 können als Rundrohr oder in Form eines anderen geeigneten geometrischen Querschnitts ausgeführt werden.
Bei der in 8 dargestellten Variante werden beispielhaft Ovalrohre als flüssigkeitsführende Strömungskanäle 2 vorgeschlagen. Alternativ könnte auch eine große Anzahl Rundrohre als flüssigkeitsführende Strömungskanäle 2 verwendet werden.
Diese können über den Wärmetauscherkörper 5 hinaus verlängert werden, so dass sie gleichzeitig die Funktion der Verbindungsrohre 10 übernehmen können.
Dabei entfällt die Verbindungsstelle zwischen flüssigkeitsführendem Strömungskanal 2 und Verbindungsrohr 10.
Die im Strömungsbereich des gasförmigen Mediums befindlichen Verteiler 6, Unterverteiler 8, Sammler 7 und Untersammler 9 müssen besonders schlank ausgeführt werden, um die Gasströmung so wenig wie möglich zu behindern.
Daher werden für diese Bauteile Ovalrohre oder Rechteckrohre mit abgerundeten Ecken vorgeschlagen.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 1 kann liegend, liegend mit Neigung (schräg) oder stehend eingebaut werden.
Der Wärmetauscher 1 kann aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen hergestellt werden.
Weiterhin sind Kombinationen aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen und der Einsatz von Verbundwerkstoffen möglich.

Claims

Wärmeaustauscher (1) zur Wärmeübertragung von Gasen und Gasgemischen (z.B. Luft) an flüssige Medien (z.B. Wasser oder Sole) und umgekehrt bestehend aus einem Wärmetauscherkörper (5) mit parallel verlaufenden Strömungskanälen (2, 3) für beide Medien und mit dem Wärmetauscherkörper (5) verbundene Verteiler (6), Unterverteiler (8), Sammler (7), Untersammler (9) und Verbindungsrohre (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1) die flüssigkeitsführenden Verteiler (6), Unterverteiler (8), Sammler (7), Untersammler (9) und Verbindungsrohre (10) befinden sich im Gasstrom und nehmen als aktive Wärmeübertragungsfläche am Wärmeaustausch teil. 2) die flüssigkeitsführenden Verteiler (6) und Sammler (7) erhalten Entlüftungsanschlüsse (14), Entleerungsanschlüsse (15) und mindestens ein Versorgungsrohr (16). 3) der Anschluß der Unterverteiler (8) an den Verteiler (6) kann in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums gesehen in versetzten Ebenen erfolgen. 4) der Anschluß der Untersammler (9) an den Sammler (7) kann in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums gesehen in versetzten Ebenen erfolgen. 5) die Verbindungsrohre (10) weisen bei Anschluß der Unterverteiler (8) an den Verteiler (6) und der Untersammler (9) an den Sammler (7) in versetzten Ebenen unterschiedliche Längen auf. 6) der Anschluß der Verbindungsrohre (10) an die flüssigkeitsführenden Strömungskanäle (2) erfolgt auf der Eintrittsseite im oberen Bereich (11) der Strömungskanäle (2) und auf der Austrittsseite im unteren Bereich (12) der Strömungskanäle (2) bzw. umgekehrt. 7) breite Wärmeaustauscher (1) erhalten zwei oder drei bis n vom gasförmigen Medium umströmte Verteiler (6) und Sammler (7). 8) die Wärmeaustauscher (1) mit mehr als einem Verteiler (6) und Sammler (7) können mit innerhalb der Unterverteiler (8) und Untersammler (9) angeordneten Trennstegen (13) ausgerüstet sein. 9) hohe Wärmeaustauscher erhalten je Verteiler (6) und Sammler (7) zwei oder drei bis n Versorgungsrohre (16) 10) die Wärmeaustauscher mit mehr als einem Versorgungsrohr (16) je Verteiler (6) und je Sammler (7) können mit innerhalb der Verteiler (6) und Sammler (7) angeordneten Trennstegen (13) ausgerüstet sein. 11) der Raum zwischen zwei parallel verlaufenden flüssigkeitsführenden Strömungskanälen (2) bildet einen parallel verlaufenden Strömungskanal (3) für das im Gegenstrom geführte gasförmige Medium. 12) die nebeneinanderliegenden Strömungskanäle (2, 3) bilden Schichten (4) durch oben und unten angeordnete Trennlagen (19) 13) die Trennlagen (19) werden durch die Wandungen (20) der flüssigkeitsführenden Strömungskanäle (2) gebildet. 14) die flüssigkeitsführenden Strömungskanäle (2) werden in Platten (18) gebildet, wobei senkrecht zu den Platten (18) angeordnete Stege (17) als Abstandshalter zwischen den Platten (18) Strömungskanäle (3) für das gasförmige Medium und Schichten (4) bilden. 15) innerhalb des Wärmetauscherkörpers (5) werden die Medien in geraden Strömungskanälen (2, 3) ohne Umlenkung geführt. 16) die Konstruktion des Wärmeaustauschers (1) ist selbsttragend und rahmenlos.