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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Lüftungs-Vorrichtung zum Lüften von Räumen also Wohnräumen oder Arbeitsräumen, unter Wärmerückgewinnung aus der verbrauchten, erwärmten Raumluft. Im Folgenden ist nur noch von Wohnräumen die Rede, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.
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II. Technischer Hintergrund
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Derartige Lüftungs-Vorrichtungen bewirken meist eine Zwangslüftung, in der Regel automatisch gesteuert.
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Dabei wird die nach außen zu transportierende, verbrauchte Raumluft einerseits und die nach innen zu führende, sauerstoffreiche Außenluft andererseits über einen gemeinsamen Wärmetauscher geführt, in dem die Raumluft ihre Wärme über den Wärmetauscher zumindest teilweise an die Außenluft abgibt und diese erwärmt, wodurch die Heizleistung zum Halten einer bestimmten Soll-Temperatur in den Räumen gesenkt wird. Die erforderliche Luftströmung wird dabei von einem Luftstrom-Erzeuger, meist einem einfachen rotierenden Lüfter, bewirkt, der ebenso wie der Wärmetauscher Bestandteil der Lüftungs-Vorrichtung ist.
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Der Wärmetauscher ist dabei in aller Regel ein sogenannter Wabenkörper, bei dem eine Vielzahl von Strömungskanälen für die Luft nebeneinander angeordnet sind, die meist in der axialen Richtung des Wabenkörpers verlaufen. Diese Kanäle sind an den beiden Stirnseiten des Wabenkörpers jeweils offen und von der einen Seite zur anderen Seite durchströmbar. Beim Hindurchströmen von Luft, die eine höhere Lufttemperatur aufweist als die den Kanal umgebenden Wände, werden diese Kanal-Wände von der Luft aufgeheizt, typischerweise von der Raumluft. Umgekehrt wird Wärme von den Kanal-Wänden an die hindurchströmende Luft, typischerweise die Außenluft, abgegeben, wenn diese eine niedrigere Temperatur als die umgebende Kanal-Wand besitzt.
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Je nach Art der Nutzung eines solchen Wabenkörpers muss das Material des Wabenkörpers unterschiedliche Eigenschaften aufweisen:
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Falls durch einen Kanal Raumluft und durch einen benachbarten Kanal Außenluft strömt, also auch in entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen, muss die Wand zwischen den beiden Kanälen vor allem eine gute Temperatur-Leitfähigkeit aufweisen, während ihre Wärme-Speicherfähigkeit kaum relevant ist.
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Da eine solche Beströmung eines Wabenkörpers - dessen Kanäle in der Regel einen Durchmesser von nur 1 - 5mm besitzen - aufwändig ist, sind zwei andere Beströmungsarten am weitesten verbreitet:
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Bei einem periodischen Wechsel der Durchströmungsrichtung - erreicht durch eine Drehrichtungsumkehr des Lüfters - wird der gesamte Querschnitt des Wabenkörpers, also alle Kanäle gleichzeitig, einmal von Raumluft von innen nach außen durchströmt, beispielsweise für 1 Minute, und anschließend die Strömungsrichtung gewechselt und derselbe Wabenkörper von Außenluft von außen nach innen durchströmt.
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In diesem Fall sitzt der Wabenkörper meist in einer Außenwand des Gebäudes, und diese Methode wird meist für die Belüftung einzelner Räume angewandt, in denen sich jeweils ein solches Lüftungselement befindet, zu dem außer dem Wabenköper ein fluchtend dazu angeordneter Lüfter umfasst.
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Bei dieser Methode ist die Wärme-Speicherfähigkeit des Wabenkörpers dagegen der ausschlaggebende Parameter, denn jeder Wechsel der Durchströmungsrichtung bedingt ein Abbremsen und neu Hochfahren des Lüfters, was den Hauptenergieverbrauch eines solchen Lüfters darstellt. Je höher die Wärmespeicherfähigkeit ist, umso seltener muss dieser Wechsel der Durchströmungsrichtung erfolgen.
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Bei der in Zentraleuropa üblichen Bauweise von Häusern genügt die durch die Dicke der Außenwände bedingte axiale Länge des Wabenkörpers in aller Regel, dass die mit einer Strömungsgeschwindigkeit von meist nur 0,5 m/sec hindurch strömende Luft im Verlauf des dann etwa 20 - 25 cm langen Strömungskanals den Großteil seiner Wärme an den Wabenkörper abgibt bzw. von diesem aufnimmt, während die Strömungskanäle mit über die Länge gleichbleibenden Querschnitt ausgestattet sind, wie dies bei einem Keramik-Wabenkörper zwangsweise der Fall ist.
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Werden die Gebäude jedoch in Leichtbauweise erstellt, vorzugsweise in südlichen Ländern, so steht häufig nur eine Dicke der Außenwände von 10 - 15 cm als axiale Länge des Wabenkörpers zu Verfügung. Auf dieser kürzeren Strecke kann nur ein Teil der Wärme von der Raumluft an einen Wabenkörper mit Strömungskanälen, die einen über die Länge gleichbleibenden Querschnitt aufweisen, abgegeben bzw. umgekehrt von der Außenluft aufgenommen werden, sodass der Wirkungsgrad eines solchen Wärmetauschers mit der abnehmenden Wanddicke sinkt.
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Eine andere Beströmungsmethode, die meist in zentralen Lüftungsanlagen, die über Zuluft- und Abluft-Luftleitungen die einzelnen Räume lüftet, ist der Einsatz eines Rotations-Wärmetauschers:
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Dabei wird z.B. die halbe Stirnfläche des beispielsweise runden Querschnittes des Wabenkörpers von Innen nach Außen und die andere Hälfte von Außen nach Innen durchströmt, wobei sich der Wabenkörper im Betrieb um seine Längs-Mittelachse dreht, sodass Umfangsbereiche mit erwärmten Kanalwänden in den Bereich der Durchströmung mittels Außenluft geraten und Umfangsbereiche mit durch die Außenluft abgekühlten Kanalwänden in den Bereich der Durchströmung mit erwärmter Raumluft gelangen.
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Ein solcher Rotations-Wärmetauscher wird in aller Regel nicht in einem Durchbruch in der Außenwand eingebaut, sondern als größere zentrale Einheit am Verteilpunkt der Luftleitungen in einem Haus, meist im Keller.
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Als Wabenkörper werden dabei bisher, vor allem aus Kostengründen, im Extrusionsverfahren hergestellte Wabenkörper aus Keramikmaterial, also gespritzte Wabenkörper, verwendet.
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Zum einen hat dies den Nachteil, dass das verwendete spritzfähige Material, meist Keramik, eine geringe Wärme-Speicherfähigkeit besitzt. Der andere Nachteil besteht darin, dass ein solcher extrudierter Wabenkörper im Wesentlichen nur einen über seine Länge gleichbleibenden Querschnitt aufweisen kann, insbesondere auch, was die Querschnitte der einzelnen Strömungskanäle betrifft.
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Andererseits ist es aus dem Bereich der Abgas-Nachbehandlung bei Verbrennungsmotoren bekannt, Wabenkörper aus gewickelten oder geschichteten Blechlagen herzustellen, indem einige oder alle der Blechlagen eine solche Strukturierung aufweisen, dass durch die Schichtung oder Wicklung in axialer Richtung durch den Wabenkörper hindurch verlaufende StrömungsKanäle erzeugt werden, die mehr oder weniger stark voneinander getrennt sind.
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Ein solcher Wabenkörper besteht sowohl hinsichtlich der Blechlagen, aus denen er gebildet ist, als auch hinsichtlich des Hüllrohres, in dem die Blechlagen aufgenommen sind, in aller Regel aus Edelstahl, um den im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors herrschenden Temperaturen widerstehen zu können.
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Diese Wabenkörper werden durch entsprechende Beschichtung als Katalysatoren eingesetzt, um im Abgas enthaltene Stoffe umzuwandeln, oder auch als Partikelfilter, insbesondere bei Dieselmotoren, um die im Abgas enthaltenen Rußpartikel durch zunächst Anlagerung an den Wänden der Strömungskanäle und anschließende oxidative Umwandlung zu beseitigen.
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Die Wärme-Speicherfähigkeit eines solchen metallenen Wabenkörpers spielt dabei kaum eine Rolle, da im Betrieb und insbesondere bei einer gleichbleibenden Abgastemperatur der Wabenkörper keinerlei Wärme-Speicherfunktion besitzt und ohnehin im Vergleich zu den sehr hohen Temperaturen der durchströmenden Gase nur eine irrelevant niedrige Wärme-Speicherkapazität besitzt. Im Gegenteil wird dort versucht, durch eine möglichst geringe Wandstärke der einzelnen Blechlagen dessen Erwärmung auf Betriebstemperatur nach dem Start des Motors möglichst zu beschleunigen, was die Wärme-Speicherfähigkeit weiter senkt.
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III. Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren und eine Lüftungs-Vorrichtung zum Lüften von Räumen unter Nutzung eines Wärmetauschers zur Verfügung zu stellen, welcher trotz geringer axialer Abmessungen seines Wabenkörpers einen hohen Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung erreicht.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, alle Anteile eines am Beginn in einen Kanal des Wärmetauschers, insbesondere des Wabenkörpers, einströmenden Strömungsquerschnittes, auch die ursprüngliche sogenannte Kernströmung, im Verlaufe der Durchströmung des Kanals mit der Kanal-Wand in Kontakt zu bringen, um einen schnellen Wärmeübergang eines möglichst hohen Anteils der in der durchströmenden Luft enthaltenen Wärme auf den Wabenkörper oder umgekehrt innerhalb einer begrenzten Länge des Strömungskanals zu erreichen.
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Bei einer Anströmung des Wärmetauschers, also in die Öffnungen der Strömungskanäle hinein, bildet sich in jedem Strömungskanal, sofern dieser einen über die Länge im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt besitzt eine laminare Strömung aus, dessen Kernströmung, also der zentrale Bereich des Strömungsquerschnittes, mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit den Strömungskanal durchläuft und ohne direkten Kontakt mit der Kanal-Wand.
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In Kontakt mit der Kanal-Wand sind nur die Randbereiche des Strömungsquerschnittes, die wegen der Reibung an der Kanalwand langsamer strömen als die Kernströmung, und damit meist vor Erreichen des Endes des Strömungskanals ihre Wärme an die Kanal-Wand abgegeben haben, aber über die gesamte Länge eine Isolierschicht zwischen der Kernströmung und der Kanal-Wand darstellen.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe somit dadurch gelöst, dass die Luftführung in den Kanälen so erfolgt, dass möglichst alle Bereiche des in einen Strömungskanal anfänglich einströmenden Strömungsquerschnittes im Verlauf der Durchströmung des Kanals in Kontakt mit der Kanal-Wand gelangen und ihre Wärme an diese abgeben können, möglichst in Durchströmungsrichtung mehrfach hintereinander.
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Dies wird erreicht, indem beispielsweise Strömungshindernisse in den ansonsten frei durchströmbaren Querschnitten der Strömungskanäle angeordnet werden.
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Durch solche Strömungshindernisse werden die gewünschten Verwirbelungen der laminaren Strömung erreicht und eine über den Strömungsquerschnitt ganz oder zumindest teilweise turbulente Strömung in den Strömungskanälen bewirkt.
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Der gleiche Effekt tritt ein, wenn die Luft eines Teils des Strömungsquerschnittes von einem in einen anderen Strömungskanal umgeleitet wird, beispielsweise an einer Kreuzungsstelle zweier nicht parallel verlaufender, sondern sich kreuzender Strömungskanäle oder indem die Luft einen Durchbruch in einer Kanalwand von dem einen in den anderen Strömungskanal durchläuft, da sowohl die Kanten solcher Durchbrüche als auch die im Kreuzungsbereich gewickelten Kanalwände ebenfalls als Strömungshindernisse wirken.
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Dies verbessert die Effizienz des Wärmetauschers unabhängig davon, ob die nach Außen strömende Raumluft und die nach Innen strömende Außenluft zeitlich abwechselnd durch die gleichen Kanäle geführt werden oder über voneinander getrennte Bereiche und damit Strömungskanäle des Wärmetauschers, wie dies bei Rotations-Wärmetauschern der Fall ist.
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Wenn dabei diese Umleitungen in Strömungsrichtung betrachtet auch immer zur gleichen Seite hin erfolgen, hat dadurch die durchströmende Luft eine längere Wegstrecke von der einen Stirnfläche zur anderen d Stirnfläche es Wabenkörpers zurückzulegen als bei in ausschließlich Axialrichtung des Wabenkörpers verlaufenden Durchströmungskanälen, was die Effizienz weiter erhöht.
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Die nach außen strömende Raumluft und die nach Innen strömende Außenluft kann entweder abwechselnd durch die gleichen Kanäle geführt werden, oder die nach außen strömende Raumluft gleichzeitig immer über die gleichen, ersten Kanäle und die nach Innen strömende Außenluft immer über die gleichen, anderen Kanäle des Wärmetauschers.
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Letzteres erfordert einen erhöhten Aufwand für die Luftführung zum und vom Wärmetauscher und die Herstellung des Wärmetauschers selbst.
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Hinsichtlich der Lüftungs-Vorrichtung umfasst diese außer dem Wärmetauscher in Form eines Wabenkörpers, einen Luftströmungs-Erzeuger, der die gewünschte Luftströmung durch diesen Wärmetauscher hindurch erzeugt, in der Regel ein Lüfter mit einem, meist elektrisch, angetriebenen rotierenden Lüfterrad.
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Die Strömungskanäle im Wärmetauscher werden vorzugsweise dadurch erzeugt, dass der als Luft-Luft-Wärmetauscher benutzte Wabenkörper aus mehreren Lagen von Blechfolien besteht, die beispielsweise übereinander geschichtet oder umeinander gewickelt sein können, und von denen
- - wenigstens einige eine solche primäre Strukturierung aufweisen, dass dadurch zwischen den Blechlagen Strömungskanäle entstehen, deren Kanal-Richtung eine Komponente in Längsrichtung des Wabenkörpers aufweisen, insbesondere von der einen Stirnseite zur anderen Stirnseite des Wabenkörpers durchgehen, wobei die Blechlagen als Zwischenwände die Kanalwände der Strömungskanäle bilden
- - und/oder wenigstens einige der Blechfolien eine sekundäre Strukturierung aufweisen, welche Strömungshindernisse umfasst, die quer zur HauptStrömungsrichtung, der Längsrichtung des Wabenkörpers, stehen und in axialer Richtung meist nur eine kurze Erstreckung aufweisen, also weniger als 10 % der Länge des Wabenkörpers.
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Eine Form einer solchen primären Strukturierung besteht in einer Wellung der Blechfolie, wobei der Querschnitt der Wellung eine beliebige Form haben kann, beispielsweise eine Sinus-Form oder auch eine Trapez-Form.
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Eine solche primär strukturierte Blechfolie kann zum Erzeugen der Strömungskanäle beispielsweise zwischen glatten Blechfolien angeordnet werden, oder es können auch zwei solche beispielsweise gewellte Blechfolien direkt übereinandergelegt werden, wenn die Kanalrichtung ihrer Kanäle nicht übereinstimmen.
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Die erzeugten Strömungskanäle müssen keineswegs vollständig voneinander getrennt sein. Beim letzten Beispiel kreuzen sich die Strömungskanäle aneinander angrenzender Blechlagen, und auch innerhalb einer Blechlage kann es Übergänge von einem zu einem benachbarten Strömungskanal geben, indem Durchbrüche in der Kanalwand vorhanden sind.
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Anstelle oder zusätzlich zur primären Strukturierung wenigstens einiger Blechfolien ist eine sekundäre Strukturierung an wenigstens einigen der Blechfolien vorhanden, sei es an primär strukturierten Blechfolien oder an glatten Blechfolien, wobei die sekundäre Strukturierung Strömungshindernisse für die in Durchströmungsrichtung, primär der axialen Richtung, hindurchströmenden Luft umfasst.
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Dennoch können primäre und sekundäre Strukturierung funktionsvereinigt sein, indem sie beide Zwecke erfüllen, beispielsweise indem dadurch Strömungskanäle erzeugt werden, die nicht ausschließlich in axialer Richtung des Wabenkörpers verlaufen, sondern in schräger Richtung hierzu, insbesondere mit einem ein- oder mehrfachen Wechsel der Strömungsrichtung, also beispielsweise in Zick-Zack-Richtung, sei es innerhalb der gleichen Lage zwischen Blechfolie oder auch von einer zur anderen Blechfolien-Lage hinweg.
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Bei den Strömung-Hindernissen ist zu unterscheiden zwischen geschlossenen Strömungshindernissen, die ohne Durchbruch durch die Blechfolie aus der Ebene der - vorstehen, und offenen Strömungshindernissen, die Durchbrüche in der Blechfolie umfassen.
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Geschlossene Strömungshindernisse sind beispielsweise geschlossene Ausprägungen in der Blechfolie, beispielsweise indem man bei einer gewellten Blechfolie einen Wellenberg - insbesondere über eine begrenzte axiale Länge - nach unten umstülpt.
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Offene Strömungshindernisse können nur aus dem Durchbruch durch die Blechfolie bestehen, indem beispielsweise ein Stück der Blechfolie vollständig ausgestanzt und entfernt wird. Dann stellen die Umfangskanten des Durchbruches Strömungshindernisse dar für denjenigen Teil-Strömungsquerschnitt der Luft, der durch den Durchbruch hindurch in einen benachbarten Kanal strömt.
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Vorzugsweise bestehen solche offenen Strömungshindernisse jedoch aus Ausbiegungen, bei denen aus der Blechfolie Laschen, seien sie rund, rechteckig oder in einer beliebigen anderen Form, nur soweit ausgestanzt werden, dass sie entlang einer, meist geraden, Verbindungs-Kante mit dem Rest der Metallfolie verbunden bleiben.
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Durch anschließendes Umbiegen der Lasche um ihre Verbindungs-Kante herum, also aus der Ebene der Blechfolie heraus, entsteht ein Durchbruch in der Blechfolie, von deren Rand aus die Lasche in den Strömungskanal hinein vorsteht.
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Dabei kann die Verbindungskante quer zur Kanalrichtung verlaufen, wodurch die dann ebenfalls quer zur Kanalrichtung stehende Lasche ein großes Strömungshindernis bildet.
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Wenn die Verbindungskante parallel zur Kanalrichtung verläuft, stellt lediglich die Kante der in den Strömungskanal hinein umgebogenen Lasche das Strömungshindernis dar.
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Auf diese Art und Weise kann die Größe des Strömungswiderstandes beliebig eingestellt werden, sowohl durch die besagte Winkelstellung als auch durch die Größe der Lasche.
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Es versteht sich von selbst, dass auch die umgebogene Lasche innerhalb des Kanal-Querschnittes Platz finden muss.
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Falls die Durchströmungsrichtung durch den Kanal so gewählt wird, dass sich in Durchströmungsrichtung die in den kanalquerschnittragende Lasche hinter dem Durchbruch befindet, wirkt diese Lasche als Umleitelement für den dagegen strömenden Teil-Strömungsquerschnitt, den sie durch den Durchbruch hindurch leitet, vor allem wenn die Lasche nicht lotrecht zur Ebene der Blechfolie steht, sondern der Strömungsrichtung entgegen gerichtet ist und aus der Ebene der Blechfolie um einen Winkel von weniger als 90° herausgebogen wurde.
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Beim Herausbiegen kann die Lasche auch aus ihrer ebenen Form in eine gekrümmte Form gebogen werden, die dann wie eine Leitschaufel wirken kann.
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Der Vorteil eines solchen aus Blechlagen hergestellten Wabenkörpers besteht darin, dass durch wahlfreie Veränderung eine Vielzahl von Parametern wie Material, beispielsweise Aluminium, Wandstärke der Blechfolien, beispielsweise 0,5 mm, Querschnittsgröße der Strömungskanäle, Anzahl, Größe und Ausbildung der Strömungshindernisse und weitere Parameter ein solcher Wabenkörper für jeden Anwendungsfall an die dort vorherrschenden Randbedingungen, beispielsweise vorgegebene maximale axiale Länge, vorherrschendes Temperaturniveau, angepasst werden kann.
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Zur Erzeugung der Strömungskanäle kann statt einer Blechfolie mit einer primären Strukturierung eine ansonsten glatte Blechfolie mittels einer Vielzahl von einzelnen, in axialer Richtung des Wabenkörpers kurzen, insbesondere weniger als 10 % der axialen Länge des Wabenkörpers betragenden, offenen oder geschlossenen Strömungshindernissen versehen werden, die - insbesondere wenn sie gleiche Höhe aufweisen - als Abstandshalter dienen, sodass mehrere solcher Blechfolien direkt oder unter zwischen Lage von vollständig glatten Blechfolien aufeinander gelegt werden können und dadurch eine Vielzahl von sich auch kreuzenden und ihre Richtung mehrfach ändernden Strömungskanälen erzeugt wird.
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Der Vorteil einer gerichteten primären Strukturierung wie einer Wellung besteht jedoch darin, dass in Strömungsrichtung eine hohe Oberfläche entlang jedes Strömungskanales vorhanden ist, an denen ein Wärmeübergang stattfinden kann.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1a: einen Schnitt durch eine in der Außenwand eines Gebäudes angeordnete Lüftung-Vorrichtung,
- 1b, c: den in dem Durchbruch der Außenwand angeordneten Luft-Luft-Wärmetauscher in verschiedenen Bauformen separat in perspektivischer Ansicht,
- 1d: ein Geschwindigkeitsprofil quer über einen Strömungskanal an der Stelle D - D mit gleich bleibendem, unbeeinflusstem Querschnitt,
- 2a: eine primär strukturierte, nämlich gewellte, Blechfolie mit einer Sekundärstruktur darin in perspektivischer Ansicht,
- 2b: einen Ausschnitt aus der Matrix eines Wabenkörpers betrachtet in axialer Richtung,
- 3a: eine glatte Blechfolie mit ausschließlich Sekundärstruktur in perspektivischer Ansicht,
- 3b: einen in axialer Richtung betrachtet rechteckigen Wabenkörper aufgebaut ausschließlich aus Blechfolien gemäß 3a,
- 4a: einen teilgeschnittenen Wabenkörper mit nur abschnittsweise vorhandenen einzelnen Lagen,
- 4b: einen Wabenkörper betrachtet quer zur axialen Richtung mit unterschiedlichen Verlaufsrichtungen seiner Kanäle,
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1a zeigt die Grundsituation für eine Be- und Entlüftung eines Wohnraumes 55 unter Wärmerückgewinnung aus der Abluft 10a durch Übertragung deren Wärme auf die von der Umgebung 54 außerhalb des Gebäudes einströmenden Zuluft 10b.
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Dies geschieht mittels eines in einen Durchbruch 52 der Wand 53 eingesetzten Luft-Luft-Wärmetauscher 50 und einen axial davor, meist auf Seiten des Wohnraumes 55, und meist ebenfalls noch im Durchbruch 52 angeordneten, Luftströmungs-Erzeuger 51, etwa einem Axial-Lüfter 51, dessen Schaufelräder um die axiale Richtung 10, vorzugsweise die Längsmittelachse des Wärmetauschers 50, rotieren und dadurch die benötigte Luftströmung durch die stirnseitig beidseits offenen Kanäle 2 über den gesamten Querschnitt des Wärmetauschers 50 erzeugen, dessen Material
- - durch die hindurchströmende Abluft 10a erwärmt und
- - durch die hindurchströmende Zuluft 10b gekühlt wird,
was durch zeitlich abwechselndes Be- und Entlüften von jeweils wenigen Minuten erfolgt, wofür die Drehrichtung des Lüfters 51 jeweils gewechselt wird.
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Wie ersichtlich steht für die axiale Erstreckung der Lüftungs-Vorrichtung 56 nur die Dicke der Wand 53 zur Verfügung.
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Bei einer aus Mauersteinen gemauerten Wand - wie in der oberen Bildhälfte dargestellt - muss zum Erreichen einer vorgegebenen Isolierwirkung die Wand 53 eine relativ große Dicke aufweisen.
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Bei einer in Leichtbauweise hergestellten Wand, etwa wie im unteren Bereich dargestellt aus Holzplatten 53a innen und außen sowie dazwischen angeordnete Isoliermaterial 53b, lässt sich die gleiche Isolierwirkung mit wesentlich geringerer Wanddicke herstellen, was die für die Lüftungs-Vorrichtung 56 zur Fügung stehende Länge reduziert, sodass deren Wärmetauscher 50 effizienter sein muss.
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Es kann auch permanent belüftet und entlüftet werden, dann jedoch jeweils nur in einem Teil, beispielsweise der Hälfte, des Querschnitts des Mauerdurchbruches 52 und damit des Wärmetauschers 50, der sich dann jedoch für das Bewirken des Wärmeaustausches zwischen Zuluft und Abluft um seine in Längsrichtung 10 verlaufende Längsmittelachse 50' - drehen muss, was jedoch eine störungsanfällige weitere Mechanik erfordert.
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Die Kanäle 2 im Wärmetauscher 50 entstehen, indem - wie in den 1b und 1c dargestellt - eine glatte Metallfolie 3 und eine strukturierte, in diesem Fall gleichmäßig gewellte, Metallfolie 4 abwechselnd übereinandergeschichtet werden, sodass zwei benachbarte glatte Metallfolien 3 durch die strukturierte Metallfolie 4 und deren Wellen auf Abstand gehalten werden, wodurch Kanäle 2 entsprechend der Verlaufsrichtung der über die gesamte strukturierte Metallfolie durchgehenden Wellen erzeugt werden, die in axialer Richtung 10 und damit parallel zur Längsmittelachse 50' des Wärmetauschers verlaufen und jeweils von einer Welle und dem daran anliegenden Abschnitt einer glatten Metallfolie als Kanalwand begrenzt werden.
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In 1b ist nur eine einzige glatte Blechfolie 3 mit nur einer einzigen Blechfolie 4 mit einer primären Strukturierung zusammen um die Längsmitte 50' des Wabenkörpers 1 gewickelt, sodass betrachtet in der Längsrichtung 10, der Axialrichtung 50' des Wärmetauschers 50, eine spiralige Wicklung dieser zwei Blechlagen umeinander entsteht, die für das Zusammenhalten in einem in diesem Fall ebenfalls runden, stirnseitig beidseits offenen, Rohr 20 als Gehäuse aufgenommen ist. Die Blechlagen 3, 4 sind untereinander und / oder an dem Rohr 20 zumindest bereichsweise fixiert, beispielsweise verklebt oder verlötet. Die Lagen 3, 4 werden als Blechfolie bezeichnet, können jedoch auch aus jedem anderen gut wärmeleitfähigem Material bestehen, werden für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung jedoch durchgehend als Blechfolien bezeichnet, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
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Das Rohr 20 muss dagegen nicht zwingend aus einem gut wärmeleitfähigem Material wie die Blechfolien 3, 4 bestehen, und kann somit auch aus Kunststoff bestehen, da es einen relativ hohes Volumen aufweist im Vergleich zu den sehr dünnen - meist nur wenige 1/100 mm bis 0,5 mm dicken Blechfolien 3, 4 - und auch nur einseitig mit der Luftströmung in Kontakt gerät.
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In 1c ist der Wabenkörper 1 aus einer Vielzahl von in diesem Fall in ihrer Hauptebene ebenen, abwechselnd übereinander geschichteten glatten Blechfolien 3 und primär strukturierten Blechfolien 4 gebildet, die dementsprechend vorher auf Maß entsprechend dem umgebenden Rohr 20 zugeschnitten und in dieses eingebracht werden müssen, welches in diesem Fall einen rechteckigen Querschnitt besitzt.
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Die Effizienz eines solchen Wärmetauschers 50 hängt einerseits von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch den Wärmetauscher 50 ab, andererseits und vor allem jedoch davon, wie gut der Wärmeübergang von der Luft auf den Wärmetauscher 50 ist.
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Obwohl die Kanäle 2 in der Regel einen Querschnitt von deutlich unter 1 cm2 besitzen, bildet sich bei umfänglich geschlossenen, geraden in ihrer Verlaufsrichtung 2' geraden Kanälen 2 dennoch eine laminare Strömung aus wie in 1d dargestellt, bei der die Strömung aufgrund der Reibung gegenüber den Kanalwänden in den äußeren Umfangsbereichen des Kanal-Querschnittes eine geringe Strömungsgeschwindigkeit v besitzt als im mittleren Bereich des Querschnittes, und vor allem die im mittleren Bereich des Querschnittes dieser laminaren Strömung strömende Luft nicht mit den Kanalwänden in Kontakt gerät, sondern gegenüber diesen sogar von der äußeren, langsamer strömenden Luft im Kanal 2 isoliert wird.
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Dies soll vermieden werden, indem die Strömung in den Kanälen 2 auf möglichst einfache Art und Weise und unter möglichst geringer Erhöhung des Strömungswiderstandes verwirbelt und eine zumindest teilweise turbulente Strömung darin erzeugt wird, wodurch die gleiche Effizienz wie bei glatten, voneinander getrennten, geraden Kanälen mit einem in axialer Richtung kürzeren Wärmetauscher 50 erreicht werden kann.
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Die 2a bis 4 zeigen exemplarisch Möglichkeiten, wie durch Unregelmäßigkeiten in der Primärstruktur der strukturierten Metallfolie 4 und / oder der im Wesentlichen glatten Metallfolie 3 eine solche turbulente Strömung im Wärmetauscher 50 erzeugt werden kann.
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So zeigt 2a an einer einzigen dargestellten strukturierten, nämlich gewählten, Blechfolie 4 folgende Arten von Strömungshindernissen:
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Zum einen ein geschlossenes Strömungshindernis 5a in Form einer geschlossenen Einprägung 19, hier in Form einer Umstülpung 9 eines Wellenberges nach unten in Richtung der Ebene der Wellentäler
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Zum anderen mehrere offene Strömungshindernisse 5b jeweils in den Flanken der Wellenstruktur, nämlich
- • Ausbiegungen 23, bei der die ausgebogenen Laschen 6 vom Rand des dabei erzeugten Durchbruches 21 aus der Blechfolie 4 mehr oder weniger stark herausgebogen sind, wobei die Lasche 6 eine rechteckige Form oder eine teilweise runde Form aufweisen kann,
- • einfache Durchbrüche 21 ohne daran befestigter Lasche.
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Die Befestigungskante 6a der Lasche 6, über die diese mit dem Rest der Blechfolie verbunden bleibt, kann quer stehen zur Kanalrichtung 2', wie bei den annähernd quadratischen Laschen 6 zu erkennen, oder auch parallel zur Kanalrichtung 2' verlaufen, wie bei den Laschen 6 mit der länglichsten Form.
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Die herausgebogenen Laschen 6 können eben sein oder auch gebogen, insbesondere betrachtet in Richtung ihrer Befestigungskante 6a, wie im mittleren Bereich unten der 2a dargestellt.
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In 2b sind im linken Bildbereich glatte Metallfolien 3 und primär strukturierte Metallfolien 4, nämlich gewellte Metallfolien 4 abwechselnd übereinander dargestellt, im rechten Bildbereich liegen dagegen die primär strukturierten Metallfolien 4 direkt aufeinander auf, jedoch weisen die beiden aneinander anliegenden gewellten Metallfolien 4a, b differierende Kanal-Richtungen 2'a und 2'b auf - wie in 4b betrachtet in Querrichtung auf einen Wabenkörper 50 dargestellt - sodass sie nicht mit ihrer Wellung ineinandertauchen können.
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In der 2b - in der die gewellte Metallfolie 4 keine etwa sinusförmige Wellenform besitzt, sondern eine trapezförmige Wellenform, die somit eine größere Kontaktfläche gegenüber den dazwischen angeordneten glatten Blechlagen 3 bewirkt - sind die gleichen Ausbiegungen 23 in dieser anderen Perspektive dargestellt.
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4a zeigt eine Lösung, bei der eine der beiden Metallfolien, in diesem Fall die primär strukturierte Metallfolie 4, in axialer Richtung 10 nur abschnittweise in Form von Streifen 13 vorhanden ist, deren Breite 17 im Vergleich zu deren axialen Abstand 18 so gewählt ist, dass dieser Abstand 18 ausreicht, um die Luftströmung umzulenken und in einen benachbarten Kanal 2 des nächsten Streifens 13 einströmen zu lassen.
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Dies wird insbesondere unterstützt durch sekundäre Strukturierungen 8 wie Umstülpungen 9 in den stirnseitigen Endflächen der gewellten Streifen 13 als auch Ausbiegungen 23 oder auch Umstülpungen 9 oder auch in axialer Richtung nur einseitig offene hutzenförmige Ausprägungen 7, die in diesem Fall in der glatten Blechlage 3 angeordnet sind und in die offene Seite einströmende Luft auf die andere Seite der entsprechenden Metallfolie 3 oder 4 leiten.
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Die Höhe 15 der hutzenförmigen Ausprägungen 7 ist dabei geringer als die Höhe 16 der Primärstruktur 12.
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Die die gewellten Streifen 13 liegen dabei mit ihren Wellentälern auf der Oberseite 14a einer unteren, in Längsrichtung 10 über mehrere Streifen durchgehenden, glatten Metallfolie 3 an und mit ihren Wellenbergen an der Unterseite 14b einer oberen glatten, vorzugsweise wiederum über mehrere Streifen 13 in axialer Richtung 10 durchgehenden, Metallfolie 3 an.
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Dagegen zeigen die 3a, b eine Lösung - hier am Beispiel eines geschichteten Wabenkörpers 1 in einem rechteckigen Rohr 20, analog zu 1c - wie Strömungskanäle durch übereinanderschichten von ausschließlich ebenen primär nicht strukturierten Metallfolien 3 erzeugt werden können, die durch - vorzugsweise jeweils gleich hohe - Abstandshalter 22 auf Abstand gehalten werden.
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Da sich die Abstandshalter 22 nicht über die gesamte axiale Erstreckung des Wabenkörpers 1 erstrecken, sondern nur über eine relativ geringe Strecke, die maximal 10 % der axialen Länge des Wabenkörpers 1 entspricht, werden keine in axialer Richtung 10 durchgehende umfänglich im Wesentlichen geschlossene, Strömungskanäle 2 erzeugt, sondern eine Vielzahl von potentiellen Strömungskanälen 2, die sich kreuzen, schräg zur axialen Richtung verlaufen können oder auch parallel dazu verlaufen können.
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Die Abstandshalter 22 sind vorzugsweise einstückiger Bestandteil der ansonsten glatten Metallfolien 3, und bestehen aus den bereits beschriebenen Ausbiegungen 23 mit Laschen 6, in diesem Fall, beispielsweise beim Ausstanzen und Ausbiegen, parallel zur Befestigung-Kante 6a, eine L-Form erhalten hat:
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Der eine Schenkel 22a der L-Form, mit der die Lasche 6 mit dem Rest der glatten Metallfolie 3 verbunden bleibt, steht im Winkel, vorzugsweise in einem rechten Winkel, von der Hauptebene der glatten Metallfolie 3 ab, während der am freien Ende dieses ersten Schenkels 22a sich im Winkel, vorzugsweise im rechten Winkel, dazu anschließende zweite Schenkel 22b in etwa parallel zu Hauptebene der glatten Metallfolie liegt, und in diesem Fall im Abstand über den Durchbruch 21 ragt, jedoch auch in die andere Richtung ragen könnte.
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Dabei das Profil einer solchen Lasche 22 - unabhängig davon ob es die beschriebene L-Form besitzt oder eine andere Form - vorzugsweise nicht parallel zur axialen Richtung 10 des herzustellenden Wabenkörpers 1, sondern schräg hierzu, sodass die in der axialen Richtung 1 anströmende Luft gegen die schräg gestellte Lasche 22 prallt und umgelenkt wird.
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Abhängig von der Anzahl der Laschen 22 relativ zur Gesamtfläche der glatten Metallfolien 3, aber auch den Abständen dazwischen, der Länge der Laschen 22 in Richtung der Befestigung-Kante 6a und insbesondere des Winkels α zwischen der Befestigung-Kante 6a und der Strömungsrichtung 10a, 10b, meist der Richtung der Außenkante der Metallfolie 3, kann gesteuert werden, wir stark die dadurch erzeugten Turbulenzen zwischen den so auf Abstand gehaltenen glatten Metallfolie 3 sind, also wie gut einerseits der Wärmeübergang zwischen der Luft und den Metallfolien 3 und der Strömungswiderstand andererseits ist.
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Zusätzlich zu den anhand der 3a, b beschriebene Abstandshalter 22 in Form von Laschen 6 kann natürlich an diesen ansonsten im Wesentlichen glatten Metallfolien 3 zusätzlich eine Sekundärstruktur 8 wie gemäß der 2a, b sowie 4a vorhanden sein, deren Höhe 15 dann jedoch nicht größer sein darf als die der Abstandshalter 22.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wabenkörper, Matrix
- 2
- Kanal
- 2', 2'a, 2'b
- Kanal-Richtung
- 3
- glatte Metallfolie
- 4
- strukturierte Metallfolie
- 5a
- geschlossenes Strömungshindernis
- 5b
- offenes Strömungshindernis
- 6
- Lasche
- 6a
- Verbindungskante
- 6b
- Endkante
- 7
- hutzenförmigen Ausprägungen
- 8
- Sekundärstruktur, sekundäre Strukturierung
- 9
- Umstülpung (geschlossen)
- 10
- Längsrichtung
- 10a
- Entlüftung-Richtung, Strömungsrichtung
- 10b
- Belüftungs-Richtung, Strömungsrichtung
- 10'a
- Abluft, Raumluft
- 10'b
- Zuluft, Außenluft
- 11
- Querrichtung
- 12
- Primärstruktur, primäre Strukturierung, Wellung
- 13
- Streifen
- 14a, b
- Seite
- 15
- Höhe
- 16
- Höhe
- 17
- Breite
- 18
- Abstand
- 19
- Einprägung (geschlossen)
- 20
- Gehäuse, Rohr
- 21
- Durchbruch
- 22
- Abstandshalter
- 23
- Ausbiegung
- 24
- Umleit-Element
- 50
- Luft-Luft-Wärmetauscher
- 51
- Luftströmungs-Erzeuger, Lüfter
- 52
- Durchbruch
- 53
- Wand
- 54
- Gebäude-Umgebung
- 55
- Wohnraum
- 56
- Lüftungs-Vorrichtung
- α
- Winkel
- v
- Strömungsgeschwindigkeit