DE10304077A1

DE10304077A1 - Luft-/Wasser-Wärmetauscher mit Teilwasserwegen

Info

Publication number: DE10304077A1
Application number: DE10304077A
Authority: DE
Inventors: Heinz Schilling
Original assignee: Heinz Schilling KG
Current assignee: Heinz Schilling KG
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-12
Also published as: EP1588114B1; JP4092337B2; JP2006513395A; WO2004068052A1; CN1745288A; AU2003294016A1; US20060153551A1; CN1745288B; EP1588114A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gegenstrom-Schicht-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen gasförmigen und flüssigen Medien in Modul- oder Modulblockbauweise, wobei ein Modulbereich zwischen zwei Luftströmungsbereichen (2) einen Wasserströmungsbereich (3) mit Wasserströmungskanälen (5) aufweist, die vom Lufteintritt bis Luftaustritt in einer Ebene angeordnet sind. Hierbei ist insbesondere der Wasserweg durch den Wärmetauscher in wenigstens einem Abschnitt/Bereich (A1, A2) durch Zusammenschaltung mehrerer paralleler Wasserströmungskanäle (5) auf mehrere parallele Teilwasserwege aufteilbar/aufgeteilt, insbesondere zur Einstellung eines gewünschten oder geforderten Wasserverhältnisses. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Gegenstrom-Schicht-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen gasförmigen und flüssigen Medien, der bevorzugt in Modul- oder Modulblockbauweise ausgeführt ist sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers.
Derartige Wärmetauscher werden eingesetzt, um Wärmemengen und deren Temperaturpotentiale von einem Wärmeträgermedium auf ein anderes Wärmeträgermedium zu überführen. Hierbei handelt es sich bei einem Medium vorzugsweise um ein Gas-, insbesondere um Luft und bei dem anderen Medium um ein flüssiges Fluid, bevorzugt Wasser oder auch Wasser-Frostschutzmischungen bzw. andere geeignete flüssige Fluide. Häufigen Einsatz findet ein typischer Luft / Wasser-Glykol-Wärmetauscher.
Die Konstruktion derartiger Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Medium unterliegt konstruktiven Zwängen durch die sehr großen Volumenstromunterschiede auf der Gas- bzw. der Flüssigkeitsseite, die sich durch die stark unterschiedlichen Wärmekapazitäten der verschiedenen Medien und aus der Tatsache ergeben, dass für einen effektiven Wärmeaustausch, insbesondere für Rückgewinnungstechnik die Wärmekapazitätenströme beider verwendeter Medien gleich sein sollen.
Das Verhältnis der Wärmekapazitätenströme wird z.B. bei einem Luft/Wasser-Wärmetauscher durch das sogenannte Wasserwertverhältnis repräsentiert. Das Wasserwertverhältnis (ohne Kondensatausfall) w = m_Luft × c_Luft / m_Wasser × c_Wasser soll idealerweise w=1 sein, um einen möglichst effektiven Wärme- und Temperaturpotentialaustausch zu ermöglichen. Hierbei bedeutet m die Masse und c die spezifische Wärmekapazität des entsprechenden Mediums. Bei Kondensatausfall ist statt c_Luft die Enthalpiedifferenz maßgebend.
Durch die sehr großen Unterschiede bei den jeweiligen Wärmekapazitäten ergibt sich z.B. für den speziellen Anwendungsfall eines Luft/Wasserwärmetauschers ein Volumenstromunterschied von etwa einem Volumenanteil Wasser pro Zeiteinheit zu ca. 3.400 Volumenanteilen Luft pro Zeiteinheit.
Häufig werden bei der kundenspezifischen Konstruktion von Wärmetauschern die Luftvolumenströme und äußeren Abmessungen eines Wärmetauschermodules von Kundenseite vorgegeben, so dass der entsprechende Volumenstrom Wasser hierzu ermittelt und konstruktiv umgesetzt werden muss. Hierbei kann es insbesondere bei geringen Luftvolumenströmen und bei der Konstruktion eines Wärmetauschers mit üblichen Wasserrohrquerschnitten von z.B. 8 – 15 mm Innendurchmesser dazu kommen, dass bei dem nötigen Wasservolumenstrom die Strömungsgeschwindigkeit zu gering wird, so dass sich der Wärmeübergangswiderstand an den Rohrinnenseiten erhöht und damit die Wärmeübertragung sehr stark vermindert wird.
Die Verminderung der Wärmeübertragung bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten resultiert daraus, dass sich bei geringen Fließgeschwindigkeiten innerhalb der Wasserrohre eine laminare Strömung mit einem etwa parabolischen Strömungsgeschwindigkeitsprofil einstellt, bei dem die Fließgeschwindigkeit des Wassers an der Rohrinnenseite am geringsten ist und sich dementsprechend ein isolierendes Polster bildet, welches einen weiteren effektiven Wärmeübertrag verhindert.
Aus diesem Grunde müssen bei einer kundenspezifischen Bestellung einer Wärmetauscheranordnung die Wärmetauscher konstruktiv an die Kundenvorgaben individuell angepasst werden, um das Wasserwertverhältnis auf den optimalen Wert einzustellen und eine ausreichend hohe Wasserströmungsgeschwindigkeit zu realisieren.
Im Stand der Technik ist es z.B. aus der DE 33 25 230 bekannt innerhalb der flüssigkeitsführenden Rohre eingelagerte Füllkörper vorzusehen, um künstlich den wirksamen Rohrquerschnitt zu verringern und hierdurch bei konstant bleibendem Volumenstrom die Strömungsgeschwindigkeit des fließenden Mediums zu erhöhen. Das Einbringen solcher Füllkörper in die Rohre eines Wärmetauschers ist jedoch konstruktiv sehr aufwendig und birgt weiterhin die Gefahr, dass sich an diesen Füllkörpern Verunreinigungen ablagern, die zu einer Verstopfung und letztendlich zu einem Versagen des Wärmetauschers führen.
Weiter ist es z.B. aus dem genannten Dokument bekannt das optimale Wasserwertverhältnis durch eine in der Höhe verspringende Verschaltung zu realisieren. Hierdurch ergibt sich in Luftströmungsrichtung wegen der quer hierzu verlaufenden Verrohrung jedoch ein höherer Luftströmungswiderstand.
Aufgabe der Erfindung ist es einen universellen Wärmetauscher, insbesondere in Modulbauweise, bereitzustellen, bei dem auf konstruktiv einfache Weise ein notwendiges Verhältnis der Wärmekapazitätenströme, eine ausreichende Fließgeschwindigkeit des flüssigen Mediums innerhalb der medienführenden Rohre sowie eine hohe Effizienz und Reinigungsfreundlichkeit sichergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Wärmetauscher bzw. bei Modulbauweise ein Modulbereich eines Wärmetauschers zwischen zwei Luftströmungsbereichen einen Wasserströmungsbereich mit Wasserströmungskanälen aufweist, die bevorzugt vom Lufteintritt bis Luftaustritt in einer Ebene angeordnet sind.
Schon durch die Aufteilung in Luftströmungsbereiche und Wasserströmungsbereiche ergibt sich, dass innerhalb der Luftströmungsbereiche keine Verrohrung vorgesehen ist, so dass die Luft innerhalb dieser Bereiche ungestört durch den Wärmetauscher strömen kann. Durch die bevorzugte Anordnung innerhalb des Wasserströmungsbereiches mit in einer Ebene liegenden Wasserströmungskanälen, die insbesondere in Luftströmungsrichtung alle parallel hintereinander, bevorzugt so dicht wie technisch möglich, angeordnet sind, verringert sich der Luftströmungswiderstand, da im wesentlichen nur der in Luftströmungsrichtung erste Wasserströmungskanal von der Luft angeströmt wird. Hierbei wird der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Strömungskanälen bevorzugt kleiner sein als die halbe Breite bzw. der halbe Durchmesser eines Strömungskanales.
Bei dieser Konstruktion ist weiterhin bevorzugt der Wasserweg durch den Wärmetauscher wenigstens in einem Abschnitt / Bereich durch Zusammenschaltung mehrerer (wenigstens zwei) paralleler Wasserströmungskanäle auf mehrere parallele Teilwasserwege aufteilbar bzw. aufgeteilt.
Mit einem derart konstruierten Wärmetauscher besteht auf einfache Art die Möglichkeit ein gewünschtes oder gefordertes Wasserwertverhältnis bzw. allgemein Wärmekapazitätenstromverhältnis insbesondere unter Erreichung einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Wasserströmungskanäle einzustellen. Durch die Anordnung der Wasserströmungskanäle auf einer Ebene ergibt sich weiterhin die vorteilhafte Wirkung, dass der Wärmetauscher ohne weitere Vorrichtung sehr einfach zu entlüften und zu entleeren ist.
Durch diese Konstruktion der Wärmetauscher können Standardwärmetauschermodule bereit gestellt werden, die individuell je nach benötigter Luftanströmfläche bzw. des sich daraus ergebenden Luftvolumenstromes an einen benötigten Wasservolumenstrom mit ausreichend oder genügend hoher Fließgeschwindigkeit angepasst werden, ohne dass eine aufwendige Umkonstruktion oder Neukonstruktion eines derartigen Wärmetauschermodules nötig wird.
Der erfindungsgemäße und wesentliche Gedanke bei dieser Konstruktion ergibt sich daraus, dass ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher mehrere, nebeneinander angeordnete, insbesondere parallele, Wasserströmungskanäle aufweist, die im Kreuz-Gegenstromprinzip das Wasser insbesondere auf einer Ebene durch den Wärmetauscher führen. Der Wasserweg durch den Wärmetauscher führt entsprechend dem Gegenstromprinzip vom Luftaustritt eines Wärmetauschers bis zum Lufteintritt, wobei die Wasserströmungskanäle hierbei quer zur Luftrichtung liegen und dementsprechend der Wasserweg bzw. das der Luft entgegenströmende Wasser gleichzeitig den Luftstrom mehrfach kreuzt, wodurch sich das genannte Kreuz-Gegenstromprinzip einstellt.
Werden nun mehrere, den Luftstrom kreuzende Wasserströmungskanäle zumindest in einem Abschnitt / Bereich des Wärmetauschers parallel zusammengefasst, so kann durch diese Zusammenfassung der Wasserweg auf mehrere parallele Teilwasserwege aufgeteilt werden, wobei jeder Teilwasserweg durch einen Wasserströmungskanal führt. Hierdurch kann effektiv der wirksame Querschnitt im Wasserweg innerhalb des Wärmetauschers vergrößert werden, da sich der wirksame Querschnitt des Wasserweges durch die Summe der Querschnitte der einzelnen Teilwasserwege bzw. Wasserströmungskanäle ergibt.
Ist also beispielsweise jeder Wasserströmungskanal mit demselben Querschnitt ausgestattet (bei runden Rohren mit demselben Durchmesser), so kann beispielsweise bei paralleler Zusammenfassung von zwei Wasserströmungskanälen und somit einer Aufteilung des Wasserweges auf zwei parallele Teilwasserwege, die den Luftstrom kreuzen, der wirksame Querschnitt des Wasserweges gegenüber einem einzigen Wasserströmungskanal verdoppelt werden. Ebenso verhält es sich bei der Zusammenfassung von noch mehr Wasserströmungskanälen.
Die Zusammenfassung der Wasserströmungskanäle erfolgt dabei dergestalt, dass in wenigstens zwei zusammengefassten Wasserströmungskanälen, die parallel nebeneinander angeordnet sind, das Wasser in derselben Richtung strömt und den Luftstrom kreuzt.
Durch diese Konstruktion ergeben sich universell einsetzbare Wärmetauscher, da beispielsweise bei kleinen Wärmetauschermodulen mit einem geringen Luftvolumenstrom und daraus resultierendem geringen Wasservolumenstrom auf eine Zusammenfassung der Wasserströmungskanäle bzw. Aufteilung des Wasserweges auf mehrere Teilwasserwege verzichtet werden kann oder nur wenige Strömungskanäle zusammengefasst werden, um eine genügend hohe Strömungsgeschwindigkeit durch einen jeden Wasserströmungskanal zu gewährleisten.
Wird demgegenüber der Luftquerschnitt beispielsweise wesentlich vergrößert, welches auch eine Veränderung des Wasservolumenstromes nachzieht, um das Wasserwertverhältnis beizubehalten, so können mehrere Wasserströmungskanäle parallel zu einem Wasserweg schaltungstechnisch zusammengefasst werden bzw. der Wasserweg durch den Wärmetauscher zumindest in einem Abschnitt auf mehrere Teilwasserwege aufgeteilt werden, um ein größeres Wasservolumen pro Zeiteinheit nutzen zu können, ohne dass sich hierdurch die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers innerhalb der zusammengefassten Teilwasserwege vergrößert.
Mit einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung kann dementsprechend zu einer vorgegebenen Luftanströmfläche eines Wärmetauschers bzw. bei konstanten Wärmetauscherhöhen zu einer vorgegebenen Breite eines Wärmetauschers eine benötigte durch den Wärmetauscher fließende Wassermenge pro Zeiteinheit durch Aufteilung des Wasserweges auf mehrere parallele, insbesondere in einer Ebene hintereinanderliegende, Teilwasserwege bzw. Strömungskanäle abgestimmt werden. Umgekehrt kann durch die Auswahl geringstmöglicher Teilwassermengen in einem Strömungskanal und eine evtl. Zusammenfassung der Strömungskanäle jede beliebige Luftmenge/Modul bzw. Modulbreite oder Modulfläche erreicht werden.
Aufgrund der Tatsache, dass bei einer Aufteilung des Wasserweges auf mehrere parallele Strömungskanäle die Querschnittsfläche eines jeden Wasserströmungskanales reduziert werden kann ergibt sich weiterhin in Luftströmungsrichtung eine geringere Anströmfläche der zur Luftströmungsrichtung querliegenden Wasserströmungskanäle, so dass durch diese Anordnung möglichst vieler hintereinanderliegender Wasserströmungskanäle ein geringerer Luftstromwiderstand des Wärmetauschers im Betrieb errreicht wird. Mit dieser Konstruktion können dementsprechend sehr effektive Wärmetauscher hergestellt werden.
In einer ersten Ausführungsform kann ein Wärmetauschermodul derart ausgebildet sein, dass die Luft- und Wasserströmungsbereiche jeweils aus getrenntem Luft- und Wasserströmungseinheiten als separate Fertigungseinheiten gebildet sind. Auf diese Weise kann ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher aufgebaut werden durch die Aneinanderfügung von zwei Luftströmungseinheiten mit einer dazwischen angeordneten Wasserströmungseinheit, wobei für einen ausreichenden Wärmeübertrag zu sorgen ist. Der benötigte Wärmeübertrag kann hierbei durch die verschiedensten wärmetechnisch geeigneten Verbindungsmaßnahmen erfolgen, beispielsweise durch Verschweißung, Verlötung, Verklebung, Verpressung, Einschliff etc. der einzelnen Fertigungseinheiten untereinander.
Besonders bevorzugt ist es, den Wasserströmungsbereich in Form einer Wärmeleitplatte mit darin angeordneten Wasserströmungskanälen auszubilden. Je kleiner der Querschnitt der Wasserströmungskanäle in dieser Wärmeleitplatte gewählt wird, umso geringer kann die Dicke dieser Wärmeleitplatte ausfallen und umso geringer ist der Luftströmwiderstand dieser Wärmeleitplatte in Luftströmungsrichtung.
Hierbei kann die Ausbildung dieser Wärmeleitplatte auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise kann in einer ersten Alternative die Wärmeleitplatte aus einem Vollmaterial aufgebaut sein, welches mehrere, nebeneinander parallel angeordnete Wasserströmungskanäle aufweist, die z.B. durch Bohrungen oder anders geartete Kanäle innerhalb der Materialstärke des Vollmateriales realisiert sind.
In einer anderen zweiten alternativen bevorzugten Ausführung kann die Wärmeleitplatte z.B. aus mehreren parallel nebeneinander angeordneten Rechteckrohren ausgebildet sein, die untereinander verbunden sind. Hierbei können bevorzugt innerhalb der Rechteckrohre mehrere parallele Strömungskanäle ausgebildet sein, die zusammen einen Wasserweg bilden. Diese Rechteckrohre können z.B. durch Klebung, Verschweißung, Verlötung, Nut/Feder etc. miteinander verbunden sein und so bei einer Nebeneinanderanordnung eine Wärmeleitplatte ausbilden, die eine Höhe aufweist, die der Höhe eines jeden einzelnen Rechteckrohres entspricht.
Hierbei weisen die einzelnen Rechteckrohre bevorzugt jeweils dieselbe Bauhöhe auf, um im Endeffekt eine Wärmeleitplatte mit zwei ebenen Oberflächen zu bilden, an denen jeweils die Luftströmungseinheiten angeordnet werden können.
Bevorzugt können die Rechteckrohre bei gleicher Bauhöhe unterschiedliche Breiten und damit Querschnitte aufweisen, wobei die Rohre weiterhin je nach Breite eine unterschiedliche Anzahl von darin befindlichen Strömungskanälen aufweisen können.
In einer weiteren dritten alternativen Ausführung kann es vorgesehen sein die Wärmeleitplatte aus zwei miteinander verbindbaren bzw. verbundenen Teilplatten auszubilden, die durch ihre Formgestaltung beim Zusammenfügen dazwischen angeordnete Wasserströmungskanäle bilden.
So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Teilplatten auf den jeweils einander zuweisenden Innenseiten kanalwandbildende Stege aufweisen, so dass sich beim Zusammenfügen der beiden Teilplatten die Wasserströmungskanäle bilden. Ebenso können die Teilplatten als Bleche ausgebildet sein, in die Vertiefungen eingestanzt sind, welche wiederum beim Zusammenfügen der einzelnen Platten die Kanäle ausbilden. Hier sind beliebige verschiedene konstruktive Maßnahmen denkbar, um die Wärmeleitplatte konstruktiv auszubilden.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht auf die vorgenannten drei alternativen und bevorzugt eingesetzten Konstruktionsmöglichkeiten beschränkt. Es liegt im Belieben des Fachmannes, eine geeignete Wärmeleitplatte zu konstruieren, die mehrere parallel nebeneinander angeordnete Wasserströmungskanäle aufweist, die ihrerseits untereinander zusammenfassbar bzw. zusammengefasst sind um eine gewünschte Aufteilung des Wasserweges auf mehrere Teilwasserwege zu erhalten.
Durch die Ausbildung des Wasserströmungsbereiches in Form der zuvor beschriebenen Leitplatten ergibt sich beim Zusammenfügen der Luft- und Wasserströmungseinheiten automatisch eine Trennung zwischen den beiden Luftströmungseinheiten, so dass die in einer Luftströmungseinheit strömende Luft nicht in eine andere Luftströmungseinheit überströmen kann. Das Überströmen wird durch die konstruktiv in sich geschlossene Wärmeleitplatte verhindert, so dass sich effektiv in den Luftströmungseinheiten, die z.B. aus mehreren Lamellen ausgebildet sein können, in sich geschlossene Luftströmungskanäle ergeben.
Gegenüber üblichen Konstruktionen, bei denen lediglich aneinander gefügte Wärmetauscherlamellen von zur Luftströmungsrichtung quer verlaufenden Rohren durchsetzt sind, ergibt sich bei der hier vorgeschlagenen Konstruktion ein deutlich geringerer Druckverlust auf der Luftseite, da die Luft ungestört durch die sich ausbildenden Luftströmungskanäle strömen kann, ohne auf quer verlaufende Rohre zu stoßen. Durch diesen geringeren Druckverlust gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern im Kreuzgegenstromprinzip ergibt sich eine deutlich wirtschaftlichere energiesparende Arbeitsweise solcher Wärmetauscher.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist es, dass eventuelle Schmutzablagerungen innerhalb der Luftströmungseinheiten auf einfache Weise aus den einzelnen Luftströmungskanälen ausgetrieben werden kann, da ein zur Reinigung eingesetzter Luftstrom, z.B. durch ein Hochdruckgebläse oder auch ein reinigender Dampfstrahl, innerhalb des Luftströmungskanales kanalisiert bleibt und nicht in benachbarte Regionen ausweichen kann. Ein am Anfang eines Wärmetauschers eingeleiteter Luftstrom wird dementsprechend definitiv an dem korrespondierenden hinteren Ende des Wärmetauschers austreten, ohne seine Strömungsrichtung verändern zu können.
Durch die beschriebene Konstruktion ergibt sich dementsprechend gegenüber dem Stand der Technik eine besondere Reinigungsmöglichkeit und hervorgehobene Energieeffizienz.
Gegenüber der zuvor genannten ersten alternativen Ausführung mit separaten Fertigungseinheiten für die Luft- und Wasserströmungsbereiche kann es in einer zweiten alternativen Ausführung vorgesehen sein, dass die Luft- und Wasserströmungsbereiche durch das Zusammenfügen einzelner, insbesondere speziell geformter, Wärmeleitlamellen ausgebildet sind. Eine solche Wärmeleitlamelle weist dementsprechend verschiedene Abschnitte auf, wobei bevorzugt wenigstens zwei Abschnitte Teilbereiche eines Luftströmungsbereiches und wenigstens ein Abschnitt einen Teilbereich eines Wasserströmungsbereiches bildet. Durch das Zusammenfügen mehrerer, insbesondere identischer Wärmeleitlamellen ergeben sich dementsprechend die erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit vollständig ausgebildeten Luft- und Wasserströmungsbereichen.
Hierzu können senkrecht zu einer Lamellenfläche innerhalb einer Lamelle mehrere Bohrungen vorgesehen sein, die beim Zusammenfügen mehrerer Lamellen miteinander jeweils fluchten und hierdurch die Wasserströmungskanäle ausbilden bzw. Ausnehmungen bilden, in die eine separate Verrohrung eingesetzt werden kann. Diese Rohre sind wärmeleitend mit den Lamellen z.B. durch Verpressen oder andere geeignete Maßnahmen verbunden.
So kann eine einzelne Lamelle beispielsweise eine Materialverdickung mit nebeneinander angeordneten Bohrungen aufweisen, wobei diese Materialverdickungen mehrerer Lamellen nach dem Zusammenfügen den Wasserströmungsbereich bilden und wobei insbesondere jede Materialverdickung eine Dicke aufweist, die einem gewünschten Lamellenabstand entspricht. Eine solche Lamelle kann z.B. hergestellt sein durch das Auswalzen eines Flachprofiles zu den Enden hin, wobei im zentralen Bereich dieses Flachprofiles die gewünschte Materialstärke stehen bleibt, in der die Bohrungen vorgesehen sind. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Materialverdickungen beim Zusammenfügen einzelner Wärmeleitlamellen dicht aneinander liegen und so den Wasserströmungsbereich insbesondere durch die Bohrungen ausbilden.
In einer anderen Ausführung kann eine Lamelle z.B. eine sickenförmige Ausbuchtung aufweisen, die sich über eine gesamte Lamellenlänge erstreckt und Ausnehmungen oder Bohrungen für die Aufnahme von senkrecht zu den Lamellen verlaufenden Rohre aufweist. Hierbei kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass innerhalb einer solchen sickenförmigen Ausbuchtung ein Wärmeleitmaterial einsetzbar bzw. eingesetzt ist, um einen besseren Wärmekontakt zwischen den darin einzusetzenden Rohren und den Lamellen zu gewährleisten. Z.B. kann das Wärmeleitmaterial als Wärmeleitband ausgebildet sein, welches in die Ausbuchtung einpressbar bzw. eingepresst ist.
Ebenso wie bei der zuvor genannten ersten Alternative mit mehreren separaten Fertigungseinheiten ergibt sich auch bei der Konstruktion des Wärmetauschers durch Zusammenfügen mehrerer Lamellen insbesondere durch eine z.B. sickenförmige Ausbuchtung oder wenigstens eine Materialverdickung innerhalb einer jeden Lamelle wenigstens eine Trennfläche, die benachbarte Luftströmungsbereiche voneinander trennt.
Es wird dementsprechend hier ebenfalls erreicht, dass die in einem sich ausgebildeten Luftströmungskanal strömende Luft vom Anfang bis zum Ende des Wärmetauschers kanalisiert bleibt und nicht in andere Richtungen ausweichen kann. Hierdurch ergibt sich ein ungestörter Strömungsverlauf mit reduzierten Strömungswiderständen und der oben beschriebenen besonderen Reinigungsaktivität.
Mit beiden oben beschriebenen Alternativen, welche die Erfindung nicht beschränken, können die nebeneinander in einer Ebene angeordneten Wasserströmungskanäle parallel zusammengefasst oder nach einer derartigen Zusammenfassung auch wieder aufgeteilt werden.
Es ergibt sich so die Möglichkeit, dass der Wärmetauscher mehrere Abschnitte / Bereiche aufweist, in denen der Wasserweg durch Zusammenfassung einer unterschiedlichen Anzahl von parallelen Wasserströmungskanälen auf eine unterschiedliche Anzahl von Teilwasserwegen aufteilbar ist bzw. aufgeteilt ist. So kann z.B. in einem ersten Bereich des Wärmetauschers der Wasserweg durch Zusammenfassung von drei Wasserströmungskanälen auf drei Teilwasserwege aufgeteilt sein und in einem anderen z.B. danebenliegenden Bereich auf vier Teilwasserwege aufgeteilt sein. Es ergeben sich je nach Anforderung unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten der Zusammenfassung von Wasserströmungskanälen bzw. Aufteilung in Teilwasserwege.
Hierdurch kann es erreicht werden, dass in unterschiedlichen Bereichen eines derartigen Wärmetauschers bei konstant bleibendem Volumenstrom verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten realisierbar sind, da sich durch das Aufteilen bzw. Wiederzusammenfassen des Wasserweges mit einer unterschiedlichen Anzahl von Wasserströmungskanälen auch unterschiedliche effektive Innenquerschnitte ergeben, durch die die Strömungsgeschwindigkeit im jeweiligen Bereich des Wärmetauschers zu beeinflussen ist.
Die Aufteilung des Wasserweges auf mehrere Teilwasserwege durch Zusammenfassung mehrerer Wasserströmungskanäle ist nicht auf bestimmte Bereiche des Wärmetauschers beschränkt. Es kann vorgesehen sein, dass der Wasserweg am Anfang eines Wärmetauschers auf eine bestimmte Anzahl von Teilwasserwegen bzw. Wasserströmungskanälen aufgeteilt wird und diese Aufteilung über den gesamten Wärmetauscher erhalten bleibt, bis dass die Teilwasserwege am Ende des Wärmetauschers wieder zu einem Wasserweg zusammengefasst werden. Dementsprechend durchziehen mehrere parallele Teilwasserwege, die durch die parallel zusammengeschalteten Wasserströmungskanäle realisiert sind, z.B. meanderförmig den Wärmetauscher vom Anfang bis zum Ende.
Die Zusammenfassung mehrerer Wasserströmungskanäle kann hier erfindungsgemäß durch verschiedene konstruktive Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Wasserströmungskanäle durch außen am Wärmetauscher angeordnete Verteilerrohre realisiert ist. Hierfür können beispielsweise die Wasserströmungskanäle an den jeweiligen Stirnseiten des Wärmetauschers vorspringen und durch Rohrbögen bzw. quer liegende Strömungskanäle mit Anschlussstutzen verbunden werden.
Ebenso ist es in einer alternativen Ausführung möglich, dass die Wasserströmungskanäle innere Verbindungen aufweisen. Beispielsweise kann eine derartige Art der Verbindung gewählt sein, wenn die Wasserströmungskanäle und insbesondere eine Wärmeleitplatte durch nebeneinander angeordnete Rechteckrohre ausgebildet ist.
Allgemein kann es im Bereich der Stirnseiten eines Wärmetauschers vorgesehen sein, dass eine zwei nebeneinanderliegende Wasserströmungskanäle trennende Kanalwand entfernt ist bzw. entfernt wird, um einen Übertritt des strömenden Wassers von einer Anschlussstelle in zwei oder mehrere Wasserströmungskanäle gleichzeitig zu ermöglichen. In diesem Fall sind die Stirnseiten eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ohne störende Verrohrung ausgebildet.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass der Wasserweg einen im Wärmetauscher vorgesehenen Wasserströmungskanal überspringt, z.B. um in einem solchen freibleibenden Kanal eine Meßvorrichtung einzusetzen, beispielsweise eine Temperaturmessvorrichtung oder ähnliches.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 und 2: einen Wärmetauscher mit Luftströmungseinheiten und einer dazwischen angeordneten Wasserströmungseinheit in Form einer Wärmeleitplatte mit quer zur Luftrichtung angeordneten kanalbildenden Bohrungen;
3: Möglichkeiten zur inneren und äußeren Verschaltung nebeneinander angeordneter Wasserströmungskanäle;
4 – 10: mehrere Möglichkeiten zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch Zusammenfügen jeweils identischer, speziell geformter Wärmeleitlamellen;
11: die Ausbildung einer Wärmeleitplatte zwischen Luftströmungseinheiten durch mehrere nebeneinander angeordnete Rechteckrohre;
12: die Ausbildung einer Wärmeleitplatte durch zwei Teilplatten mit auf den einander zuweisenden Innenseiten angeordneten Stegen zur Ausbildung von Wasserströmungskanälen nach Zusammenfügen der Teilplatten;
13: einen Wärmetauscher aus zusammengefügten Wärmeleitlamellen mit jeweils eingestanzten Bohrungen zur Aufnahme von Rohren;
14: einen Wärmetauscher mit einem auf drei Teilwasserwege aufgeteilten Wasserweg.
Die 1 und 2 zeigen in mehreren verschiedenen Ansichten den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 aus entsprechenden Fertigungseinheiten, wobei jeweils in der Darstellung zwei Luftströmungsbereiche 2 durch einen Wasserströmungsbereich 3 in Form einer Wärmeleitplatte 3 voneinander getrennt sind. Die als Fertigungseinheiten 2 und 3 aufgebauten Luft- und Wasserströmungsbereiche sind hierbei wärmeleitend untereinander verbunden, so dass ein effektiver Wärmeübertrag zwischen der Luft und dem flüssigen Medium möglich sind. Für die Art der Verbindung sieht der Fachmann eine geeignete Maßnahme vor, wie beispielsweise Einschliff, Verlöten, Verkleben, Verschweißen, Verpressen, den Einsatz einer Wärmeleitpaste oder anderer geeigneter Maßnahmen.
Jede Wärmeleitplatte 3 weist ihrerseits eine Vielzahl von quer zur Luftrichtung L verlaufende Bohrungen 5 auf, die sich vollständig durch die als Vollmaterial in den 1 und 2 ausgebildete Wärmeleitplatte 3 hindurchziehen und somit jeweils einen Wasserströmungskanal ausbilden, um durch die parallele Hintereinanderanordnung mehrerer Wasserkanäle 5 einen Wärmeaustauscher im Kreuz-Gegenstromprinzip auszubilden.
Hierfür strömt mit Verweis auf die 1a und 2a Wasser z.B. quer und entgegen der Luftrichtung L von dem Wasserströmungskanal 5a durch alle weiteren Wasserströmungskanäle 5 bis zum letzten Wasserströmungskanal 5m. Durch eine geeignete Verschaltung wird hierbei sicher gestellt, dass das in dem Wasserströmungskanal 5a z.B. rechtsseitig des Wärmetauschers 1 einströmende Wasser auf der nicht dargestellten Rückseite in den davor angeordneten Wasserströmungskanal 5b überströmen kann. Das Wasser kann somit mäanderförmig im Wärmetauscher strömen
Sowohl durch den Aufbau der Luftströmungseinheiten als auch durch die zwischen zwei Luftströmungseinheiten 2 angeordnete Wärmeleitplatte 3 ergibt sich eine vollständige Trennung der Luftströme in den beiden Luftströmungsbereichen 2 sowie auch eine Trennung der einzelnen Teilluftströme innerhalb der Luftströmungskanäle 2a, 2b etc. Hierdurch ergibt sich die bereits zuvor beschriebene besondere Reinigungsmöglichkeit eines derartigen Wärmetauschers und aufgrund der ungestörten Strömung der Luft ein besonders geringer Druckverlust, der sich energetisch günstig bemerkbar macht.
In der 2 ist gegenüber der 1 ergänzend dargestellt, dass mehrere der in der 1 dargestellten Wärmetauschermodule, die jeweils aus zwei Luftströmungsbereichen und dazwischen angeordnetem Wasserströmungsbereich bestehen, zu einem Gesamtwärmetauscher zusammengesetzt sein können. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass zur Einhaltung des Wasserwertverhältnisses ein zwischen zwei Wasserströmungsbereichen bzw. Wärmeleitplatten 3 angeordneter Luftströmungsbereich die doppelte Bauhöhe aufweist wie ein Luftströmungsbereich 2, der lediglich einseitig an einen Wasserströmungsbereich bzw. eine Wärmeleitplatte 3 angrenzt.
Die 3 zeigt verschiedene Möglichkeiten, nebeneinander angeordnete Wasserströmungskanäle, die in einer Wärmeleitplatte 3 ausgebildet sind, zusammenzufassen, d.h. den Wasserweg auf Teilwasserwege aufzuteilen, um eine Anpassung des Wasserwertverhältnisses bzw. einer gewünschten Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen.
So sind mit Bezug auf die 3b jeweils drei Wasserströmungskanäle 5a, b und c schaltungstechnisch parallel zu einem Wasserweg zusammengeführt, wozu der Wasserweg vom Verteilerrohr 6 im Abschnitt A1 auf die drei Teilwasserwege der Wasserströmungskanäle 5a,b,c aufgeteilt wird und nach Durchgang quer durch den Wärmetauscher wieder in dem gegenüberliegenden Sammelrohr 6a zusammengeführt wird, um sofort eine neue Aufteilung im Abschnitt A2 auf die drei daneben angeordneten Wasserströmungskanäle durchzuführen. In den Wasserströmungskanälen 5a, b und c fließt gemäß der Zusammenfassung das Wasser in derselben Richtung quer zur Luftströmungsrichtung.
Die Zusammenfassung bzw. Aufteilung des Wasserweges ist hier realisiert durch eine außen am Wärmetauscher vorgesehene Verschaltung in Form eines querliegenden Verteilerrohres 6/6a, welches Stutzen zum Eintritt des Wassers in die Wärmeleitplatte 3 bzw. zum Austritt aufweist.
Durch diese Zusammenfassung von z.B. jeweils drei Wasserströmungskanälen 5a, b und c kann bei gleichbleibendem Volumenstrom eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit um den Faktor 3 gegenüber einem einzelnen Wasserströmungskanal erreicht werden. So kann bei auch gleichbleibender Wasserströmungsgeschwindigkeit die Luftmenge um den Faktor 3 erhöht werden. Beliebig andere Faktoren sind entsprechend möglich.
Als weitere Alternative zeigt die 3 eine innenliegende Verschaltung der einzelnen Wasserströmungskanäle, wobei hier lediglich zwei Wasserströmungskanäle 5a und 5b schaltungstechnisch miteinander zu einem Wasserweg verbunden sind. Die Zusammenschaltung erfolgt hier dergestalt, dass das Material 7 zwischen zwei Wasserströmungskanälen 5a und b im Bereich der Stirnseite eines Wärmetauschers entfernt wird und die sich in der Wärmeleitplatte 3 ergebende Öffnung durch einen Stopfen 8 verschlossen wird. Hierdurch wird sicher gestellt, dass das einströmende Wasser gleichzeitig auf zwei Wasserströmungskanäle 5a und b verteilt wird, so dass diese beiden Wasserströmungskanäle einen Wasserweg durch den Wärmetauscher ausbilden.
Die 4 zeigt in mehreren verschiedenen Ansichten, dass die Luft- und Wasserströmungsbereiche eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch das Zusammenfügen einzelner, insbesondere speziell geformter, Wärmeleitlamellen 10 ausgebildet sein kann. Hierbei ist jede Wärmeleitlamelle 10 oder zumindest eine Anzahl von Lamellen identisch ausgebildet und weist innerhalb ihrer Lamellenhöhe H eine Materialverdickung 11 auf, die sich über die gesamte Lamelle 10 erstreckt. Im vorliegenden Fall ist die Materialverdickung 11 etwa zentral in einer Lamelle 10 ausgebildet. Senkrecht zur Oberfläche einer Lamelle 10 sind mehrere, nebeneinander angeordnete Bohrungen 5 ausgebildet, die sich zentral durch die Materialverdickung 11 erstrecken und nach dem Zusammenfügen mehrerer Lamellen 10 den Wasserweg quer zur Luftrichtung des Wärmetauschers ausbilden.
Bei dieser dargestellten Konstruktion weist eine Lamelle 10 jeweils Teilabschnitte der Luft- und Wasserströmungsbereiche auf, die sich nach dem Zusammenfügen mehrerer Lamellen ergeben. Hierbei bildet der Bereich um die Materialverdickung 11 den späteren Wasserströmungsbereich 3 und die mit Bezug auf die 4 oberhalb und unterhalb dargestellten Bereiche jeweils einen Teil eines Luftströmungsbereiches 2.
Nach dem Zusammenfügen einzelner Lamellen ergibt sich durch die fluchtende Anordnung der verschiedenen Bohrungen 5 ein Wasserströmungskanal, in den entweder noch ein ergänzendes Rohr R eingesetzt wird oder der durch das dichtende Aufeinanderliegen der Materialverdickungen 11 ausgebildet wird.
Auch bei dieser Konstruktion wird deutlich, dass der Luftströmungsbereich 2 von einem Wasserströmungsbereich W vollständig getrennt ist, so dass ein Überströmen von Luft aus einem Luftströmungsbereich in einen anderen vermieden wird. Auch innerhalb eines Luftströmungsbereiches 2 ergeben sich insbesondere durch die Materialverdickung 11 und durch eine obere Abkantung einer jeden Lamelle voneinander getrennte Luftströmungskanäle 2a, 2b etc., so dass die zuvor beschriebene Reinigungsaktivität und Druckverlustminimierung erreicht wird.
Gegenüber der 4 zeigt die 5 eine im wesentlichen identische Ausführung, wobei jedoch eine einzelne Lamelle eine wesentlich größere Höhe H aufweist und innerhalb der Lamellenhöhe mehrere Materialverdickungen vorgesehen sind, um neben mehreren Luftströmungsbereichen auch mehrere Wasserströmungsbereiche auszubilden, die jeweils bevorzugt in parallelen Ebenen angeordnet sind.
Hierbei kann es ergänzend vorgesehen sein, dass zwischen zwei Wasserströmungsbereichen 3 innerhalb eines Luftströmungsbereiches 2 eine jede Lamelle eine Ausbuchtung, einen Vorsprung, eine Sicke oder sonstige Konstruktion 12 aufweist, so dass sich beim Zusammenfügen mehrerer Lamellen 10 effektiv durch diese Konstruktionen 12, die jeweils aneinanderliegen, eine Trennfläche T ergibt, die die einzelnen Luftströmungskanäle 2a, 2b etc. eines Luftströmungsbereiches nochmals unterteilt.
Hierdurch kann die zuvor beschriebene reinigungsaktive Ausbildung eines Wärmetauschers auch bei größer ausgebildeten Bauhöhen der Luftströmungsbereiche aufrecht erhalten werden.
Auch die 5 zeigt an den jeweils äußeren Enden einer jeden Lamelle 10 eine fakultative Abkantung 13, so dass sich durch eine derartige Abkantung auch ein zur Außenseite des Wärmetauschers geschlossener Luftströmungskanal 2a, 2b etc. ergibt.
Im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Dicke einer Materialverdickung 11 innerhalb einer Lamelle 10 derart gewählt, dass sich durch das Zusammenfügen der einzelnen Lamellen 10 ein Abstand der Lamellen untereinander ergibt, der der Dicke der Materialverdickung 11 entspricht.
Durch die Konstruktion einer jeden Lamelle ist dementsprechend nach dem Zusammenfügen der periodische Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers gegeben.
Die in den 4 und 5 dargestellte, jeweils nur auf der einen Seite einer Lamelle angeordneten Materialverdickung kann z.B. durch die Ausbildung einer Lamelle als Strangpressprofil oder auch als ausgewalztes, mit einer Ausbuchtung/Sicke bzw. einem Vorsprung versehendes Flachprofil hergestellt werden.
Die 6 zeigt eine alternative Ausführung eines durch Zusammenfügung mehrerer identischer Lamellen hergestellten Wärmetauschers, bei dem die Lamelle 10 gegenüber der 4 eine Materialverdickung 11 aufweist, die sich beidseitig der Oberfläche einer Lamelle 10 erstreckt. Wie auch in der 4 weist jede innerhalb einer Lamelle und über deren Länge erstreckende Materialverdickung 11 mehrere, nebeneinander angeordnete Bohrungen auf, die nach fluchtender Aneinanderfügung und gegebenenfalls unter Einsatz eines darin verpressten Rohres R einen Teil des gesamten Wasserweges ausbilden.
Hier ist es dargestellt, dass ein Wärmetauschermodulblock nach außen hin geschlossene Luftströmungskanäle 2 dadurch aufweisen kann, dass an den jeweiligen Lamellen 10 die Oberseite als eine Abkantung 13 ausgebildet ist, die sich mit ihrem jeweiligen Ende auf die Oberfläche einer angrenzenden Lamelle 10 anlegt. Ebenso ist es möglich eine nicht abgekantete Lamelle 10 auf der Oberseite durch ein aufgelegtes Trennflächenblech 15 zu verschließen und so die verschiedenen einzelnen Luftströmungskanäle 2 auszubilden. Derartige Trennflächenbleche 15 können auch zwischen einzelnen aufeinander gestapelten Wärmetauschermodulen, wie sie in der 6 dargestellt sind, eingelegt werden, um die Trennung der Luftströmungskanäle 2 zu bewirken.
Gegenüber der Konstruktion der 4 und 5 mit einer einseitig vorgesehenen Materialverdickung hat die gegenüber der Lamelle 10 zweiseitig ausgebildete Materialverdickung 11 der 6 den Vorteil, dass die Wärmeleitung durch die Lamelle 10 in den Wasserströmungskanal 5 bzw. das darin eingesetzte Rohr R durch symmetrische Wärmeleitwege verbessert ist, so dass die Ausführung nach 6 gegenüber der Ausführung nach 5 als bevorzugt anzusehen ist.
Die 7 zeigt eine weitere alternative Ausbildung eines aus mehreren identischen Lamellen zusammengefügten Wärmetauschers, wobei eine Lamelle 10 eine z.B. sickenförmige Ausbuchtung 16 aufweist, die sich über die gesamte Länge einer Lamelle erstreckt und den späteren, nach dem Zusammenfügen entstehenden Wasserströmungsbereich bildet. In eine derartige Ausbuchtung 16 kann ein Wärmeleitmaterial z.B. ein Wärmeleitband 17 eingelegt werden, welches durch Verklebung, Verpressung oder ähnliche Maßnahmen wärmeleitend mit der Lamelle 10 verbunden ist und Bohrungen 5 aufweist, die den späteren Wasserweg quer zur Lamellenrichtung bilden.
Gegenüber der 7a zeigt die 7b eine sehr einfache Ausbildung identischer Lamellen 10, die in ihrer Oberfläche vollständig glatt ausgebildet sind und lediglich an den oberen und unteren Enden Abkantungen zum Verschließen der einzelnen Luftströmungskanäle 2 aufweist. Zwischen den einzelnen Lamellen 10 wird zur Ausbildung eines geschlossenen Wasserströmungsbereiches und zur Beabstandung der einzelnen Lamellen ein Flachprofil oder Wärmeleitband 17 aufgelegt, welches wiederum eine Vielzahl nebeneinander angeordnete Bohrungen aufweist, die mit korrespondierenden Bohrungen in einer jeden Lamelle 10 fluchten. Ebenfalls wird hier durch das Zusammenfügen einer Vielzahl identischer Wärmeleitlamellen und Wärmeleitbänder 17 ein Luftströmungsbereich und Wasserströmungsbereich, wie in der 4b beschrieben, ausgebildet.
Die 8a und 8b zeigen in einer näheren Darstellung eine Detailansicht einer einzelnen Lamelle 10 gemäß der 7a, wo das in die sickenförmige Ausbuchtung 16 eingelegte Wärmeleitband 17, welches eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Bohrungen 5 aufweist, zu erkennen ist. Innerhalb der einzelnen Bohrungen 5 kann, wie links in der 8a dargestellt, ein weiteres Rohr R eingesetzt und mit dem Wärmeleitband 17 wärmeleitend z.B. durch Verpressen verbunden werden. Oben und unten an der dargestellten Lamelle 10 sind die Abkantungen 13 dargestellt, wobei die Breite einer Abkantung 13 der Tiefe der Ausbuchtung 16 entspricht, so dass durch dieses Maß der Abstand der einzelnen Lamellen 10 untereinander gegeben ist.
Korrespondierend mit der 5 zeigt die 9 eine Wärmetauschermoduleinheit größerer Bauhöhe, bei der Wärmeleitlamellen gemäß den zuvor beschriebenen 7 und 8 eingesetzt werden. Auch hier ist es erkennbar, dass innerhalb einer Lamelle mehrere sickenförmige Ausbuchtungen 16 vorgesehen sind, in denen jeweils ein Wärmeleitband 17 eingelegt ist. Innerhalb eines Luftströmungsbereiches 2 weist hierbei eine jede Lamelle 10 die schon zuvor beschriebene Konstruktion 12 auf, um beim Zusammenfügen der einzelnen Lamellen 10 eine weitere Trennfläche T innerhalb eines Luftströmungsbereiches 2 auszubilden.
Die 10 zeigt eine besondere Ausführung einzelner Lamellen 10, wobei über die gesamte Lamellenlänge etwa wie zuvor beschrieben in den 7, 8 und 9 eine Ausbuchtung 16 vorgesehen ist, wobei innerhalb dieser Ausbuchtung 16 kreisförmige Gegenausformungen 17 eingestanzt sind, die einen kreisförmigen Innenquerschnitt aufweisen und zur Aufnahme eines Rohres R dienen.
Durch die Gegenausformung 17 wird eine federnde Elastizität bei der Verbindung des wasserführenden Rohres R mit der Lamelle 10 erreicht. Eine jede z.B. sickenförmige Ausbuchtung 16 innerhalb einer Lamelle hat, wie schon zuvor beschrieben, eine Tiefe, die dem gewünschten Abstand der einzelnen Lamellen 10 untereinander entspricht, so wie es auch bei der obigen und unteren Abkantung 13 einer jeden Lamelle der Fall ist.
Durch die sich über die gesamte Lamellenlänge erstreckende Ausbuchtung 16 ergibt sich wiederum eine effektiv wirkende Trennfläche zwischen den einzelnen Luftströmungsbereichen bzw. den einzelnen Luftströmungskanälen, so dass ein Überströmen von Luft aus einem in einen anderen Luftströmungsbereich ausgeschlossen und somit die zuvor beschriebene Reinigungsaktivität und der geringe Luftwiderstand erreicht werden.
Die 10 zeigt eine zu den 1 und 2 alternative Ausführung, bei der die Luftströmungs- und Wasserströmungsbereiche wiederum als separate Fertigungseinheiten ausgebildet sind. Bei der 11 ist die Wärmeleitplatte 3 durch eine Nebeneinanderanordnung mehrerer Rechteckrohre 5 ausgebildet, die jeweils dieselbe Bauhöhe aufweisen.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass mehrere Rechteckrohre 5 in Einheiten von mehreren, z.B. drei oder vier Rechteckrohren zusammengefasst sind, bzw. ein Rechteckrohr weitere innere Kanalwände zur Unterteilung aufweist.
Die einzelnen Rechteckrohre bzw. Rohreinheiten sind untereinander z.B. durch Verschweißung geeignet verbunden, wobei ein Zusammenfassen mehrerer Rechteckrohre 5 im vorliegenden Fall durch eine innere Verbindung der einzelnen Rohre gegeben ist. Hierfür können abschnittsweise im Bereich der Stirnfläche eines Wärmetauschers die trennenden Kanalwände zwischen benachbarten Rechteckrohren, wie an der Stelle 20 exemplarisch dargestellt, entfernt sein, so dass hier das Wasser z.B. von einem ersten aus vier Rechteckrohren 5 zusammengefassten Wasserweg 1 in einen zweiten Wasserweg II und sofort überströmt.
Bei dieser und allen anderen Konstruktionen kann es vorgesehen sein, dass die Anzahl der zusammengefassten Wasserströmungskanäle 5 innerhalb verschiedener Bereiche eines Wärmetauschers variiert, wie es hier z.B. bei den Wasserwegen IV und V dargestellt ist. Der Wasserweg IV ist aus insgesamt vier Rechteckrohren zusammengefasst, wohingegen der Wasserweg V lediglich aus drei Rechteckrohren zusammengefasst ist, so dass sich in diesen beiden Bereichen des Wärmetauschers unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten bei demselben Volumenstrom einstellen.
Es besteht somit die Möglichkeit die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines Wärmetauschers bereichsweise variabel zu gestalten, indem unterschiedliche Anzahlen von Wasserströmungskanälen, hier z.B. Rechteckrohren, zusammengefasst werden.
Der Wasseranschluss an den gesamten Wärmetauscherkreislauf kann hier durch ein Adapterstück 21 erreicht werden, welches den länglichen Rechteckquerschnitt in einen runden Querschnitt zur Verteilung an übliche Rohre wandelt.
Die 12 zeigt eine weitere Ausbildung, bei der die Wärmeleitplatte 3 durch eine obere Teilplatte 3a und eine untere Teilplatte 3b zusammengefügt ist. Auf jeder dieser beiden Teilplatten ist auf der jeweils zueinander zugewandten Seite wenigstens ein Steg 22 vorgesehen, der einem entsprechenden korrespondierenden Steg auf der jeweils anderen Teilplatte gegenüberliegt, so dass beim Zusammenfügen der oberen und unteren Teilplatte sich Strömungskanäle innerhalb der Wärmeleitplatte 3 ergeben. Das Zusammenfügen der Platte kann durch übliche Maßnahmen wie Verlöten, Verschweißen, Verkleben, Verpressen etc. erfolgen.
Der weitere Aufbau ist im Wesentlichen wie bereits in der 11 beschrieben.
Die 13 zeigt eine nochmalige Alternative eines Wärmetauschers, der aus mehreren identischen Wärmeleitlamellen 10 zusammengefügt ist. Die hier dargestellten Wärmeleitlamellen 10 zeigen einen sehr einfachen Aufbau mit lediglich kreisförmigen Ausformungen 23, die z.B. durch Stanzung hergestellt sein können. Diese Ausformungen 23 bilden einen von der Lamellenoberfläche wegweisenden, rohrförmigen Abschnitt, in den ein Rohr R wärmeleitend eingepresst werden kann. Hierdurch ergibt sich ein guter inniger Wärmeleitkontakt zwischen dem Rohr R und der Lamelle über die Ausformung 23.
Die Ausformung 23 ist in die ebene Fläche der Lamelle 10 eingebracht, so dass sich hier grundsätzlich die Möglichkeit ergibt, dass Luft zwischen zwei Rohren R von einem oberen Luftströmungskanal 2a in einen unteren Luftströmungskanal 2a' übertreten kann. Zwar stellt diese Ausführung eine Konstruktion mit einem höheren Druckverlust innerhalb der Luftströmungsbereiche dar, ist jedoch bei ihrer sehr einfachen Realisierung konform mit dem grundlegenden Prinzipien der Erfindung, durch das Zusammenfassen mehrerer auf einer Ebene nebeneinander angeordneter Rohre das Wasserwertverhältnis und die Strömungsgeschwindigkeit verändern zu können.
Die 14 zeigt eine skizzierte Anordnung bei der der Wasserweg durch einen Wärmetauscher beim Wassereintritt WE auf drei Teilwasserwege aufgeteilt wird, die durch die Wasserströmungskanäle 5a, 5b und 5c verlaufen. Unter Beibehaltung dieser Aufteilung auf drei Teilwasserwege wird das Wasser mäanderförmig durch den gesamten Wärmetauscher geführt bis es am Ende beim Wasseraustritt WA wieder zu einem Wasserweg zusammengeführt wird. Hier erfolgt eine Aufteilung auf mehrere Wasserwege dementsprechend nicht nur in einem Bereich/Abschnitt des Wärmetauschers, sondern über den gesamten Wärmetauscher hinweg.
Aufgrund der Nebeneinanderanordnung der Strömungskanäle 5 innerhalb des Wärmetauschers auf einer Ebene besteht die Möglichkeit unter Beibehaltung einer einmal gewählten Aufteilung den konstanten Volumenstrom an Wasser auf mehrere Teilwasserwege aufzuteilen. Hier können ebenso je nach Bedarf andere Anzahlen von Teilwasserwegen realisiert werden oder die Aufteilung bzw. Zusammenfassung bereichsweise geändert werden.
Das besondere erfindungswesentliche Prinzip der Möglichkeit einer Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und des Wasserwertverhältnisses innerhalb des dargestellten erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß sämtlicher Alternativen beruht in einer besonders bevorzugten Ausführung darauf, dass gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern Wasserströmungskanäle mit deutlich verringerten Strömungsquerschnitten verwendet werden. So ist es im Stand der Technik üblich Verrohrungen mit Innendurchmessern von 8 – 15 mm für die Wasserwege einzusetzen.
In der beschriebenen Erfindung wird bevorzugt ein Querschnitt der Strömungskanäle eingesetzt, der 10 bis 50 % des Anschlußquerschnittes eines Wasserweges beträgt, wobei insbesondere der Abstand zwischen den Kanalinnenwänden eines Wasserströmungskanales zum nächsten bevorzugt kleiner gewählt ist als der innere Durchmesser eines Rohres bzw. die Breite eines Kanales. So wird der Anschlußquerschnitt eines Wasserweges auf viele, insbesondere so viele Strömungskanäle wie möglich mit geringerem Querschnitt aufgeteilt, wobei insbesondere die Summe dieser kleineren Querschnitte etwa dem Anschlußquerschnitt entspricht.
Hierbei kommt es zu einer sehr eng aneinander liegenden Anordnung einer Vielzahl von kleinen Strömungskanälen auf einer Ebene, so dass mit einem einzelnen Wasserströmungskanal mit einem derart verringerten Strömungsquerschnitt selbst bei geringen Volumenströmen eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Durch eine Zusammenfassung mehrerer dieser nebeneinander angeordneten Wasserströmungskanäle kann bei einer Erhöhung des Gesamtvolumenstromes z.B. bei einer größeren Dimensionierung der gesamten Wärmetauscheranlage die Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der zusammengefassten Teilwasserwege reduziert werden und so immer auf ein Optimum durch eine mehr oder weniger große Anzahl zusammengeschalteter Kanäle eingestellt werden.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat daher den besonderen Vorteil, dass er in standardisierten Moduleinheiten lagermäßig verfügbar sein kann und die Anpassung an die gegebenen äußeren Bedingungen wie Luftstrom, Wasserstrom, Konstruktionsmaße das daraus resultierende Wasserwertverhältnis und die benötigten Strömungsgeschwindigkeiten auf einfache Art und Weise lediglich durch die mehr oder weniger starke Zusammenfassung der Wasserwege eingestellt werden kann.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist dementsprechend sehr wirtschaftlich, wartungsfreundlich und energiesparend durch die bei den oben beschriebenen Konstruktionen im Wesentlichen ungestörten Luftwege, die durch ihre Trennung voneinander die beschriebene Reinigungsmöglichkeit erreichen.

Claims

Gegenstrom-Schicht-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen gasförmigen und flüssigen Medien in Modul- oder Modulblockbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulbereich zwischen zwei Luftströmungsbereichen (2) einen Wasserströmungsbereich (3) mit Wasserströmungskanälen (5) aufweist, die vom Lufteintritt bis Luftaustritt in einer Ebene angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserweg durch den Wärmetauscher (1) in wenigstens einem Abschnitt/Bereich (A1,A2) durch Zusammenschaltung mehrerer paralleler Wasserströmungskanäle (5a,b,c) auf mehrere parallele Teilwasserwege aufteilbar / aufgeteilt ist, insbesondere zur Einstellung eines gewünschten oder geforderten Wasserwertverhältnisses.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Wärmetauschermodul die Luft- und Wasserströmungsbereiche (2,3) je aus getrennten Luft- und Wasserströmungseinheiten als Fertigungseinheiten gebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserströmungsbereich (3) in Form einer Wärmeleitplatte (3) mit darin angeordneten Wasserströmungskanälen (5) ausgebildet ist, insbesondere die die Luftströmungsbereiche voneinander trennt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitplatte (3) – aus einem Vollmaterial mit mehreren parallelen die Wasserströmungskanäle (5) bildenden Bohrungen/Kanäle ausgebildet ist, oder – aus mehreren parallel nebeneinander angeordneten Rechteckrohren ausgebildet ist, oder – aus zwei miteinander verbindbaren / verbundenen Teilplatten (3a,3b) ausgebildet ist, die durch Ihre Formgestaltung beim Zusammenfügen dazwischen angeordnete Wasserströmungskanäle bilden.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft- und Wasserströmungsbereiche (2,3) durch das Zusammenfügen einzelner, insbesondere speziell geformter, Wärmeleitlamellen (10) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lamelle (10) eine Materialverdickung (11) mit nebeneinander angeordneten Bohrungen aufweist, wobei die Materialverdickungen (11) mehrerer Lamellen (10) nach dem Zusammenfügen den Wasserströmungsbereich (3) bilden und insbesondere jede Materialverdickung (11) eine Dicke aufweist, die einem gewünschten Lamellenabstand entspricht.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den zusammengefügten Lamellen (10) senkrecht zur Lamellenrichtung Rohre (R) eingesetzt sind, die mit den Lamellen (10) wärmeleitend verbunden, insbesondere verpreßt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lamelle (10) eine sickenförmige Ausbuchtung (16) aufweist, innerhalb der die Rohre angeordnet sind, insbesondere in die ein Wärmeleitmaterial (17) einsetzbar / eingesetzt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen mehrerer Lamellen (10), insbesondere durch die sickenförmige Ausbuchtung (16) oder Materialverdickung (11), wenigstens eine Trennfläche entsteht, die benachbarte Luftströmungsbereiche (2) voneinander trennt.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mehrere Abschnitte/Bereiche (A1,A2) aufweist, in denen der Wasserweg durch Zusammenfassung einer unterschiedlichen Anzahl von parallelen Wasserströmungskanälen (5) auf eine unterschiedliche Anzahl von Teilwasserwegen aufteilbar /aufgeteilt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenfassung mehrerer Wasserströmungskanäle (5) durch aussen am Wärmetauscher angeordnete Verteilerrohre (6,6a) oder durch innere Verbindung der Wasserströmungskanäle realisiert ist.
Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung eines zum Betrieb erforderlichen oder gewünschten Wasservolumenstromes der Wasserweg durch den Wärmetauscher zumindest in einem Teilbereich des Wärmetauschers auf mehrere Teilwasserwege, insbesondere auf mehrere in einer Ebene in Luftströmungsrichtung parallel hintereinander angeordnete Wasserströmungskanäle, aufgeteilt wird.